ТЕХНОЛОГІЧНЕ ОБЛАДНАННЯ ГАЛУЗІ Тема VІ. Установка для ректифікації спирту Тема VІ. Установка для ректифікації спирту Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути розділені на.
Download ReportTranscript ТЕХНОЛОГІЧНЕ ОБЛАДНАННЯ ГАЛУЗІ Тема VІ. Установка для ректифікації спирту Тема VІ. Установка для ректифікації спирту Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути розділені на.
Slide 1
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 2
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 3
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 4
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 5
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 6
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 7
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 8
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 9
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 10
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 11
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 12
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 13
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 14
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 15
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 16
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 17
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 18
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 19
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 20
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 21
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 22
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 23
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 24
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 25
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 26
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 27
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 28
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 29
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 30
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 31
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 32
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 33
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 34
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 35
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 36
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 2
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 3
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 4
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 5
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 6
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 7
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 8
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 9
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 10
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 11
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 12
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 13
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 14
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 15
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 16
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 17
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 18
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 19
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 20
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 21
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 22
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 23
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 24
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 25
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 26
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 27
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 28
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 29
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 30
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 31
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 32
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 33
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 34
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 35
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.
Slide 36
ТЕХНОЛОГІЧНЕ
ОБЛАДНАННЯ
ГАЛУЗІ
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки, що застосовуються при виробництві спирту, можуть бути
розділені на наступні групи:
1. брагоперегонні установки для одержання з бражки спирту-сирцю;
2. ректифікаційні установки періодичної і безперервної дії для одержання спиртуректифікату зі спирту-сирцю;
3. брагоректифікаційні установки безперервної дії;
4. установки для одержання безводного спирту з чи бражки спирту-ректифікату.
Схеми ректифікаційних колон:
а - повна; б - концентраційна; в відгінна;
1 - дефлегматор;
2 - концентраційна частина колони;
3 - відгінна частина колони
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоперегонні установки
У спиртовій промисловості застосовуються брагоперегонні установки двох типів:
1. установки, у яких флегма, що надходить з дефлегматора, звільняється від спирту
(виварюється) разом із бражкою в нижній частині колони (у бражній колоні);
2. установки, у яких флегма виварюється окремо від бражки в так званій лютерній
колоні; установки цього типу називаються двоколонними.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
бражна колона;
спиртова колона;
лютерна колона;
дефлегматор;
холодильник;
пастка;
Бр - бражка;
л - лютерна вода;
с - спирт-сирець;
п – гріюча пара;
Ф - флегма;
б - барда
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Одноколонний брагоперегонний апарат
Одноколонний брагоперегонний апарат
складається з колони 2, дефлегматора
7 з горизонтальними трубами і
конденсатора-холодильника 11 для
спирту.
Колона виготовляється з міді. При
прийманні вона випробується під
тиском 0,1 МПа.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двобарабанний горизонтальний дефлегматор
Горизонтальний дефлегматор має дві трубчасті багатоходові поверхні охолодження. В
одній з них по трубах протікає бражка, в іншій - холодна вода. Бражка і вода роблять у
дефлегматорі кілька ходів, що забезпечується відповідним розташуванням перегородок у
розподільних коробках. Для напрямку потоку пари в міжтрубному просторі дефлегматора
встановлені поперечні перегородки. Бражні труби дефлегматорів виготовлюють з міді,
водяні труби - зі сталі. Дефлегматор випробують гідравлічним тиском 0,4 МПа для
трубного простору і 0,15 МПа для міжтрубного простору. Корпус дефлегматора, коробки,
кришки, ґрати, фланці, патрубки і труби водяної секції виготовляються з вуглецевої сталі;
труби бражної секції - з міді; обичайки, фланці, днище і ґрати - зі сталі. Для компенсації
термічних напруг корпус постачають лінзовим компенсатором (на мал. не показаний).
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Комбінований холодильник для спирту-сирцю
Комбінований холодильник для конденсації та охолодження
спирту-сирцю у верхній частині І має прямі мідні труби, по
яких рухається вода; у нижній частині холодильника ІІ
встановлені мідні змійовики.
Вода надходить спочатку в нижню частину холодильника й
омиває зовнішню поверхню змійовиків, потім вона
направляється в міжтрубний простір верхньої частини. Труби
змійовиків мають малий перетин, тому швидкість руху
конденсату в них і коефіцієнт теплопередачі великі.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика одноколонної брагоперегонної установки
Продуктивність при переробці бражки міцністю 7,5 об. %, дал/добу
500
Діаметр колони (внутрішній), мм
700
Висота колони, мм
8240
Загальне число тарілок
27
У тому числі в зміцнювальній частині
багатоковпачкові
7
ситчаті
2
У частині виснаження, одноковпачкові
18
Дефлегматор двобарабанний
діаметр (внутрішній) барабана, мм
600
довжина, мм
3465
загальна площа поверхні теплообміну, м2
32
Холодильник спирту
діаметр (внутрішній), мм
600
висота, мм
3806
Площа поверхні охолодження, м2
трубної частини
20
змієвикової частини
5
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок брагоперегонних апаратів
Вихідними даними для розрахунку є продуктивність апарата, вміст спирту в бражці
(міцність) і спирті-сирці. Для розрахунку цих показників спочатку потрібно визначити число
тарілок в апараті, діаметр і висоту колон, діаметр штуцерів для введення пари, бражки, для
відводу пари спирту-сирцю і барди. Витрата пари і води визначають тепловим розрахунком.
Механічний розрахунок деталей апарата призначений для перевірки елементів апарата на
міцність.
Визначення флегмового числа. Розрахунок колони починається
флегмового числа v:
з визначення
v = Ф/D,
де
Ф - кількість флегми, що повертається з дефлегматора в колону за даний час, кг;
D - кількість дистиляту, одержуваного за той же час, кг.
Мінімальне флегмовое число
v min x D y o y o x o ,
де
xD - вміст спирту в сирці, мол. %;
хо - вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення, мол. %;
уо - вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, мол. %.
(VI-1)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Графік для визначення міцності киплячої бражки на
тарілці живлення
Кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння (у кДж),
Q = (tкип - tбр) сбр100,
(VI-2)
де tкип - температура кипіння бражки, °C; tбр - температура, з якою бражка надходить у
колону, °C; сбр - теплоємність бражки, кДж/(кгК).
Теплоємність бражки визначається по формулі Г. М. Знаменського:
сбр = 4,187 (1,019 - 0,0095В),
(VI-3)
де В - вміст сухих речовин у бражці, мас. %.
Величину уо знаходимо по таблиці рівноваги. Підставляючи в рівняння (VI-1) знайдені і
задані значення величин, одержимо vмін.
Дійсне флегмове число vд дорівнює мінімальному, помноженому на коефіцієнт надлишку
флегми:
vд = vмін .
У залежності від числа тарілок апарата і їхньої конструкції величина коливається від 1,1 до
2. У середньому приймають =1,5.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Матеріальний і тепловий баланси брагоперегонного апарата.
Якщо одноколонний апарат (без дефлегматора і холодильника) розглядати як деяку
замкнуту систему, то можна скласти його матеріальний, і тепловий баланси.
Матеріальний баланс
Прихід
Витрата
Продукт
Стан Позначення Продукт
Стан Позначення
Бражка
рідина
Пари спиртупара
М
D
сирцю
Гріюча пара
пара
Пари флегми
пара
Р
Ф=vD
Флегма
рідина Ф = v D Барда при
ридина R+P = Б
обігріві
відкритою
парою
тут R - залишок після перегонки бражки;
Р - конденсат граючої пари;
М - бражка;
Б -барда.
Рівняння матеріального балансу буде мати наступний вид:
M + P + v D = D + v D + R + P,
чи М = D + R.
(VI-4)
(VI-5)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Тепловий баланс
Стаття приходу
Позн.
Тепло, що
вноситься бражкою
Тепло, що
вноситься парою
Тепло, вноситься
флегмою
Q1
Формула для
розрахунку
Mctбр
Стаття витрати
Позн.
Формула для
розрахунку
DiD
Тепло, що
Q4
виноситься сирцем
Q2
Pi
Тепло, що
Q5
vDiD
виноситься флегмою
Q3
Фсфtф
Тепло, що
Q6
(R+P)cRt R
виноситься бардою
Втрати тепла в навQ7
колишнє cередовище
тут c і cф - теплоємність бражки і флегми, кДж/(кгК) (с знаходять по формулі (VI-3);
tбр і tф - температура бражки і флегми, °C;
i та iD - повна ентальпія гріючої пари і сирцю (дистиляту), кДж/кг;
t - температура барди, °С.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Теплоємність барди сR - визначають по рівнянню Г. М. Знаменського:
сR = 4,187 (1— 0,00378В),
(VI-6)
де В - вміст сухих речовин у барді, мас. %.
Втрата тепла Q7 у навколишній простір на 100 кг бражки складає для неізольованої
колони 2100 кДж, для ізольованої 840 кДж.
Використовуючи приведені в балансах дані, складемо рівняння теплового балансу:
Мсtбр + Pi + Фсфtф = DiD + vDiD + (R + P)cRtR + Q7.
(VI-7)
У рівнянні (VI-7) невідомі D, P і R. Ми маємо два рівняння (VI-5) і (VI-7) із трьома
невідомими. Може бути складене і третє рівняння з тими ж невідомими:
Мхм = DxD + (P + R) хR,
де хM, хD, хR - концентрація спирту відповідно в бражці, спирті-сирці і барді, мас. %.
Вирішуючи спільно рівняння (VI-5), (VI-7) і (VI-8), знайдемо D, R і Р.
(VI-8)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Рівняння робочої лінії верху колони має наступний вид:
y = v / (v+l)x + xD / (v+l),
(VI-9)
де v - флегмове число; хD - вміст спирту в сирці, мол. %.
При обігріві колони парою рівняння робочої лінії низу
колони може бути представлене в такому вигляді:
y = (L / G)(x - xR),
(VI-10)
де L - кількість молів у рідині, що стікає по тарілках
нижньої колони; G - те ж, у паровому потоці; xR - вміст спирту в
барді, мол. %.
Кількість кіломолів, що містяться в паровій фазі складає Р/18 i може бути прийнята
постійною.
Кількість молів у рідкому потоці складається з трьох частин: потоку бражки L1, потоку
флегми, що приходить зі спиртової колони, L2 і потоку конденсату пари, витраченого на
догрівання бражки, L3.
L1 визначають діленням масової кількості бражки на її середню молекулярну масу.
Кількість молів флегми L2
L2 = vD / MD,
де MD - середня молекулярна маса флегми, яку можна прийняти рівній середній
молекулярній масі сирцю.
Кількість молів пари L3, витраченого на догрівання бражки,
L3 = Q / 18r,
(VI-11)
де Q - кількість тепла, що витрачається на нагрівання бражки до температури кипіння;
18r - молекулярна теплота конденсації водяної пари.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Тому що графік для нижньої частини бражної колони побудувати важко, то вдаються до
аналітичного розрахунку. Для тієї частини колони, де концентрація спирту хR змінюється від
0,004 до 0,2 мол. %, число ступеней концентрації визначають по рівнянню Сореля-Харіна:
x 0 KG
1
lg 1
x
L
R
n
1
lg KG L
де
х0 = 0,2 мол. %;
хR = 0,004 мол. %;
К - коефіцієнт випару спирту (для розглянутої зони концентрацій К=13);
G - кількість молів у паровому потоці;
L - кількість молів у рідкій фазі.
(VI-12)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Визначення числа тарілок
Щоб визначити дійсне число тарілок nд, число знайдених ступеней концентрації ділимо
на середній коефіцієнт корисної дії тарілок колони брагоперегонної установки:
Тарілки бражної колони
подвійного кип'ятіння
0,6
одинарного кип'ятіння
0,5
ситчаті
0,5
провальні
0,6
лускаті
0,6
Тарілки спиртової колони
одинарного кип'ятіння
0,3
подвійного кип'ятіння
0,35
багатоковпачкові
0,5
клапанні
0,6
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Ректифікаційні установки
Коефіцієнти випару спирту і його домішок
У
безперервно
діючих
ректифікаційних
установках домішки відбирають безупинно з тих
тарілок колон, де вони збираються в найбільшій
кількості.
Летючість
домішок
характеризується
коефіцієнтом випару
Кдом = /,
де - вміст домішок у парах, мас. %; - вміст
домішки в рідині, мас. %.
Коефіцієнт випару етилового спирту
Ксп = a/b,
1 - етиловий спирт; 2 - аміловий
спирт; 3 - етилацетат;
4 - ізомасляноетиловий ефір;
5 - оцтовий альдегід;
6 - ізовалеріано-ізоаміловий
ефір; 7 — метилацетат
де а та b - вміст етилового спирту в парах і рідині,
мас. %.
Відношення
Кдом/Ксп
=
К1
називається
коефіцієнтом ректифікації. Очевидно, при Кдом>>Ксп
домішки нагромаджуються в парах. У цьому випадку
К1>1. Коефіцієнт випару домішок змінюється в
залежності від концентрації етилового спирту в даній
суміші.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Двоколонна ректифікаційна установка
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ прямої дії:
1 - бражна колона; 2 - трубопровід для відводу частини пари; 3 - виварювальна частина
епюраційної колони; 4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної
колони; 6 - конденсатор; 7 - дефлегматор ректифікаційної колони; 8 - конденсатор ректифікаційної
колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУнапівпрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - виварювальна частина епюраційної колони; 3 - сепаратор-пастка-сепаратор;
4 - концентраційна частина епюраційної колони; 5 - дефлегматор епюраційної колони; 6 конденсатор епюраційної колони; 7 - конденсатор ректифікаційної колони; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Брагоректифікаційні установки безперервної дії
Принципова схема БРУ непрямої дії:
1 - бражна колона; 2 - конденсатор; 3 - додатковий конденсатор; 4 - епюраційна колона; 5 - дефлегматор
епюраційної колони; 6 - конденсатор епюраційної колони; 7 - ректифікаційна колона; 8 - дефлегматор
ректифікаційної колони; 9 - ректифікаційна колона
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Технічна характеристика брагоректифікаційних установок непрямої дії
Продуктивність, дал безводного спирту в добу
1000
Бражна колона
Діаметр, мм
1000
Число тарілок
23
2
Площа поверхні бражного підігрівника, м
48
бражної секції
33
водяної секції
15
Епюраційна колона
Діаметр, мм
700
Число тарілок
39
у відгінній частині
20
у концентраційній частині
19
Площа поверхні дефлегматора, м2
15
Ректифікаційна колона
Діаметр, мм
800
Число тарілок
70
у відгінній частині
16
у зміцнювальній частині
54
Площа поверхні дефлегматора, м2
50
Сивушна колона
Діаметр, мм
—
Число тарілок
—
у відгінній частині
—
у концентраційній частині
—
2
Площа поверхні дефлегматора, м
2000
3000
6000
1400
23
81
66
15
1500
25
114
99
15
2000
24
160
120
40
1100
39
20
19
35
1200
37
25
12
50
2000
35
19
16
70
1200
70
16
54
85
1600
70
16
54
100
2000
70
16
54
145
—
—
—
—
700
57
17
40
20
900
57
17
40
20
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Найпростіша одноковпачкова тарілка - тарілка
одинарного кип'ятіння використовується в бражних
колонах установок малої продуктивності.
В однокопвпачковій тарілці подвійного
кип'ятіння барботаж відбувається з-під країв
ковпака і коміра. Завдяки цьому створюються
зустрічні потоки пари, що поліпшують контакт
пари і рідини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Багатоковпачкові тарілки зі зливними перегородками використовуються тільки
для перегонки рідин, що не містять зважених часток. Вони мають великий
периметр барботажу і більш ефективні. Тарілки цього типу вживаються у всіх
типах колон, крім бражних.
Ковпак багатоковпачкової тарілки
Розташування ковпачків на тарілці
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Ситчаті тарілки широко застосовуються в
спиртовій промисловості. У бражних колонах з
великими діаметрами встановлюються ситчаті
тарілки з отворами діаметром 8-10 мм. У колонах,
де немає зважених часток, діаметр отворів може
становити 2-4 мм.
1 - стійки; 2 - зливальні
склянки; 3 - переливні планки
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Лускаті
тарілки
відносяться
до
групи
односпрямованих, де пара і рідина рухаються в одному
напрямку, причому пара сприяє руху рідини, інжектуючи
її.
Їх доцільно встановлювати в бражних колонах, що
працюють як на патоковій бражці, так і на зернокартопляній бражці.
Цей тип тарілок забезпечує високу ефективність і
продуктивність при роботі в струминному режимі, коли
швидкість пари в щілинах перевищує 12 м/с.
Оптимальний живий перетин їх дорівнює 10%.
а - загальний вид; б - аркова
тарілка; лусочка з тристороннім
прорізом
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
Розподільним пристроєм для пари в клапанних тарілках є клапани, що представляють
собою пластини тієї чи іншої форми, що перекривають отвори тарілки і під тиском пари
піднімаються, пропускаючи пару.
Маса клапана автоматично, в залежності від навантаження по парі, регулює величину
живого перетину для виходу пари. Гранична висота підйому клапана визначається висотою
обмежувального пристрою.
Клапанні тарілки мають здатність до самоочищення. Допустима швидкість пари в них
перевищує швидкість пари в ковпачкових тарілках. Вони рекомендуються до установки в
ректифікаційних і епюраційних колонах.
Клапани:
а -з верхнім обмеженням підйому;
б -з нижнім обмеженням підйому
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Основні типи тарілок ректифікаційних установок
У провальній тарілці ґратчастого типу немає
зливальних склянок, і рідка фаза зливається
через ті ж отвори, через які надходить на тарілку
пара. У цьому контактному пристрої взаємодіючі
фази
рухаються
протитечією.
Відсутність
зливальних пристроїв збільшує корисну площу
тарілки. Тарілки виготовляються зі сталевих чи
мідних листів товщиною 2,5-6 мм. Щілини тарілки
виконуються штампуванням чи фрезеруванням,
ширина щілини 3-8 мм, довжина 60-200 мм.
Живий перетин 10-15 %. Відстань між тарілками
300-600 мм.
Цей тип тарілок застосовується в бражних
колонах при перегонці патокової бражки і зернокартопляної бражки з меленої сировини.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Знаючи число тарілок можна знайти загальну висоту колони. Для цього потрібно вибрати
відстань між тарілками колони h (у м). Ця величина залежить від складу рідини, що
переганяється, швидкості пари у вільному перетині колони w, глибини барботажного шару та
конструкції тарілки.
Існує ряд рівнянь, за допомогою яких у залежності від прийнятої величини h и деяких
інших факторів може бути визначена швидкість пари w (у м/с). Так, для ковпачкових тарілок
w = 0,305 h / (60 + 0,05 h) — 0,012 z,
(VI-13)
де z - глибина барботажного шару - відстань від рівня рідини на тарілці до нижнього краю
ковпака, мм.
По рівнянню Киршбаума для ковпачкових тарілок
w = A -m.
(VI-14)
де m і A - коефіцієнти, величина яких залежить від відстані між тарілками колони; густина пари, кг/м3.
Рівняння (VI-13) - (VI-14) можна застосовувати для орієнтованого визначення величини h
для ситчатих тарілок. Задавши величиною h, по цих формулах можна визначити w і, навпаки,
задавши величиною w, можна визначити h.
h, мм
А
m
500
1,14
0,465
400
1,10
0,47
300
1,02
0,490
200
0,82
0,545
150
0,62
0,490
135
0,54
0,425
Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н (у м):
H = h(n-1) + hl + h2,
(VI-15)
де n - число тарілок колони; h1 - висота кубової частини, м; h2 - відстань від верхньої
тарілки до верхньої кришки колони, м.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметр колони визначають з рівняння
V = (d2/4) w,
(VI-16)
де V - об’єм парів, що піднімаються в колоні, м3/с.
З рівняння (VI-16) діаметр колони (у м)
. d
4V
w
(VI-17)
Об’єм парів може бути знайдений у такий спосіб. Кількість кіломолів пари, що
піднімається в колоні, дорівнює D+vD кмоль/с (D - кількість кмоль/с дистиляту-продукту; v флегмовое число).
Об’єм цієї маси пари (у м3/с)
V = [(D + vD)22,4T] / 273р,
(VI-18)
де 22,4 - об’єм 1 кмоль при 0°С и тиску 760 мм рт. ст.; Т - абсолютна температура пари; р
- тиск пари в розглянутому перетині колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок основних розмірів колон і трубопроводів
Діаметри штуцерів для введення і виводу продуктів (у м) визначаються по формулі
(VI-17), у якій V — об’єм продукту, м3/с; w — швидкість руху продукту, м/с.
У залежності від виду трубопроводу w має різні значення:
Бражний
Бардяний
Спиртових парів з колони
Для підведення флегми в колону
Для гріючої пари (р = 0,15 МПа)
Для підведення епюрату
Для відводу лютерної води
0,5-1
0,2-0,8
5-25
0,1-0,2
15-25
0,1-0,2
0,2-0,8
При обігріванні колони відкритою парою діаметр барботера приймають рівним
діаметру трубопроводу, що підводить пару. Площа паровипускних отворів барботера (у м2)
F= 1,25F0 = 1,25(d2/4),
(VI-19)
де F0 - площа перетину трубопроводу.
Загальне число отворів у барботері
n = 4Fd12,
де d1 - діаметр отворів барботера (d1 = 8-10 мм).
Барботер виконується у виді труби, розташованої по діаметральному перетині
колони. Отвори розташовані тільки по нижньому півколу барботера.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Розрахунок дефлегматора зводиться до визначення площі поверхні охолодження,
потрібної для відводу тепла Qф. Визначивши площу поверхні, конструюють дефлегматор.
Як холодоагент в дефлегматорах використовується бражка або вода.
У дефлегматорі відбувається часткова конденсація парів, що надходять з колони.
Конденсат-флегма — повертається в колону. З теплового балансу колони можна
визначити теплове навантаження дефлегматора Qф (у кДж/год):
Qф = vDiD - vDcфtф = v(iD - cфtф) = vDrф,
де
(VI-20)
v - флегмовое число;
D - кількість дистиляту (продукту), кг/год;
iD - ентальпія дистиляту, кДж;
сф і tф - теплоємність і температура флегми, кДж/(кг К) і °С;
rф - питома теплота конденсації флегми, кДж/кг.
Площа поверхні дефлегматора (у м2)
F = Qф / tk,
де
t - середня різниця температур, °С;
k - коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2 К).
(VI-21)
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
Середня різниця температур
t
t
'
к
t поч t к t кін
'
t к t поч
'
2 . 3 lg
t к t кін
'
де
tк - температура конденсації спиртових парів, що надходять з колони;
t’поч і t’кін - початкова і кінцева температура холодоагенту, що надходить у
дефлегматор.
Коефіцієнт теплопередачі [у Вт/(м2 К)] для дефлегматорів, що охолоджуються зернокартопляною бражкою, може бути визначений по емпіричній формулі
k 4 . 187 B
де
3
w
2
В - коефіцієнт пропорційності (для сталевих труб В=610; для мідних В=700);
w - швидкість руху бражки в трубах, м/с.
Поверхня нагрівання дефлегматорів у процесі роботи покривається відкладеннями,
тому рекомендується знайдену величину F збільшити для дефлегматорів бражних колон
на 30%, а для дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон на 20%.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок площі поверхні теплопередачі дефлегматора
При конструюванні дефлегматорів потрібно задатися швидкістю холодоагенту. Для
бражних підігрівників (дефлегматорів) рекомендується швидкість бражки 1,5 м/с, для
дефлегматорів епюраційних і ректифікаційних колон 0,5-0,6 м/с.
У дефлегматорах з горизонтальними трубами напрямок руху холодоагенту
рекомендується знизу нагору, для водно-спиртових парів — зверху вниз.
Відстань між перегородками в міжтрубному просторі варто вибирати таким, щоб
швидкість парів по всій довжині барабана залишалася рівна 15-20 м/с для бражних
підігрівників і 10-13 м/с для дефлегматорів ректифікаційних і епюраційних колон.
Величина кроку між трубами повинна бути мінімальною, припустимою з умов міцності.
Конденсат з кожного барабана повинний відводитись окремо. Задавши швидкістю руху
холодоагенту w і діаметром труб d, знаходять число труб n, що працюють паралельно, з
рівняння
V = ( d2 / 4) n w.
(VI-28)
Довжину труб визначають з рівняння
F = dф l n.
(VI-29)
Знайшовши l, обчислюють число ходів, задавши довжиною труби в одному ході.
Довжину однієї труби приймають рівної 2-2,5 м.
На основі отриманих даних і параметрів, що рекомендуються, роблять розмітку
трубних ґрат, днищ і їхніх перегородок.
Діаметри штуцерів підбирають, виходячи зі швидкостей потоків. Швидкість у штуцерах
для підведення пари 15-25 м/с, для підведення бражки 0,5-1 м/с, для води 1-2 м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
При розрахунку площі поверхні теплопередачі холодильника визначають кількість тепла,
що відводиться при охолодженні водно-спиртової рідини, що надходить у холодильник, за
формулою
Q = D cD (tпоч - tкін),
де
(VI-30)
D і cD - кількість холодоагенту і його теплоємність;
tпоч та tкін - початкова і кінцева температура холодоагенту.
Коефіцієнти теплопередачі [у Вт/(м2 К)] визначають за формулою (VI-24) (для
змієвикових холодильників) чи по емпіричній формулі
k
232 , 6
1
1 6 wв
1
1 6 wc
(VI-31)
де wв, wc - швидкість холодної води й охолоджуваного водно-спиртового розчину, що
протікає в змійовиках, м/с.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Схема установки кип'ятильників:
а - з вертикальними трубками; б - з горизонтальними трубками;
1 - колона; 2 - вертикальний кип'ятильник; 3 - горизонтальний кип'ятильник
При установці кип'ятильників (див. мал.) 2/3 висоти їхнього трубного простору
повинне бути заповнено рідиною (барда, епюрат чи лютерна вода). Вибір горизонтального
чи вертикального кип'ятильника визначається висотою фундаменту колони.
Тема VІ. Установка для ректифікації спирту
Розрахунок холодильників і кип'ятильників БРУ
Продуктивність
установки,
дал/добу
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
1000
1500
2000
3000
6000
0,2
11
17
22
34* (40)
74
Площу поверхні теплообміну (у м2) при тиску пари, МПа
0,25
0,3
0,35
0,4
Для епюраційних колон
9,5
7,5
6,5
14 *
11
9,3
17
14 *
11
26*
22
17
61 *
49
34 *
Для ректифікаційних колон
40
22
22
49
40
40
74
49
40
91
74
91
Для сивушної колони
11
9,5
7,5
17
11
9,5
22
17
11
40
22
22
74
49
49
17
22
40
49
91
0,5
17
22
40
49
74
6,5
7,5
11
17
70
* Для теплообмінників з довжиною трубок l = 3000 мм. Довжина трубок для інших теплообмінників
2000 мм. Використовуються теплообмінники з діаметром трубок 20 і 25 мм.