Розрахунок і проектування ректифікаційної колони

Вступ

Сьогодні  вітчизняна спиртова промисловість  за рік може випускати більше 60 млн. дал спирту. Ставиться завдання покращити  якісні показники спирту та горілки, знизити їх собівартість та підвищити  ефективність переробки. На сьогодні усі  питання, які пов’язані з виробництвом, реалізацією і споживанням етилового  спирту та алкогольних напоїв в Україні, регулюються державою. Проте саме зараз доробляється законопроект про  передачу спиртових заводів у  приватну власність, що дозволяє будівництво  спиртових заводів у безпосередній  близькості до підприємств-виробників лікеро-горілчаних виробів.

З одного боку, виробництво спирту забезпечує економічну безпеку і технологічну незалежність країни. Таким чином, спирт  – один з бюджетоформуючих продуктів. Проте, як показує практика, розвиток підприємств, що знаходяться у приватній  власності, в наш час іде більш  інтенсивно. До того ж алкогольні напої, виготовлені на власному спирті, відрізняються  за органолептичними, економічними показниками, що робить їх більш конкурентноспроможними і відкриває ринок експорту високоякісних  алкогольних напоїв.

Як приклад  можна привести компанію «Nemiroff», що має у своїй власності лікеро-горілчаний та спиртовий заводи. Всі лікеро-горілчані  вироби готуються з власного спирту, а надлишок продукту (спирту) підприємство має змогу продавати. Це робить виробництво  лікеро-горілчаної продукції більш  економічно привабливим з точки  зору зниження собівартості сировини (спирту), що, в свою чергу, приводить  до зниження собівартості лікеро-горілчаної продукції. А також підприємство-виробник лікеро-горілчаних напоїв отримує високоякісний  спирт і має змогу сам контролювати його якість при надходженні на виробництво. Як результат, компанія «Nemiroff» за якістю алкогольних напоїв займає одне з  перших місць, а також є великим експортером лікеро-горілчаних виробів на ринки країн ближнього зарубіжжя, Східної Європи та Америки.

Отже, проект передачі спиртових заводів у  приватну власність має очевидні переваги, перш за все для споживачів та виробників лікеро-горілчаної продукції, а також у законі буде обумовлений  державний контроль та частка прибутку, що надходитиме до державного бюджету, від виробництва спирту. Це робить проект привабливим і для держави  також.

На сьогодні надзвичайно важливим фактором для  спиртової промисловості є проблема зниження собівартості кінцевого продукту – харчового етилового спирту, покращення його якісних показників, а отже і покращення економічних  та органолептичних показників лікеро-горілчаних напоїв.

Також етиловий спирт є привабливий у використанні з точки зору горючого для транспортних засобів. Якщо розглянути закордонний  досвід використання етилового спирту як транспортного палива, то можна  виділити такі позитивні моменти: перш за все - низька собівартість, по-друге  – екологічно чистий вид палива, по-третє – ресурсозберігаючий фактор, в четвертих – економічна вигода від великих продажів продукту. Отже всі позитивні сторони для  економіки країни освітлені. З точки  зору привабливості для окремих  підприємств-виробників спирту теж  є свої позитивні сторони: спирт, як багатотоннажний продукт промисловості  країни є велико прибутковим, до того ж відпадають витрати підприємств  на повторну переробку отриманого низькоякісного спирту.

Надзвичайно велике значення в розвитку спиртової  промисловості України має зниження дефіциту енергоносіїв шляхом розробки і впровадження у виробництво  ресурсо- та енергозаощаджуючих технологій нового покоління. Для цього необхідний науково-обгрунтований підхід до споживання енергії виробництвами та прогнозування  шляхів їхнього подальшого удосконалення. Резервом зниження витрат енергії і  сировини є максимальна утилізація вторинних енергетичних ресурсів, оптимізація  всіх технологічних процесів за допомогою математичного моделювання і комп’ютеризації. В умовах нестабільної ситуації на ринку енергоносіїв України все актуальнішою стає проблема зменшення витрат пари на перегонку і ректифікацію спирту. На середньостатистичному заводі її споживання складає близько 55 кг/дал, а використання запропонованої в даному проекті установки за патентом 2178 дозволить зменшити витрати пари до 35-40 кг/дал навіть при встановленні колони кінцевої очистки. Що зробить будівництво заводу економічно привабливим, з малим терміном окупності, а також дозволить виробляти спирт з малими затратами енергоносіїв, що в наш час являється найбільш актуальною темою.

Спиртами називаються органічні речовини, молекули яких містять одну або кілька функціональних гідроксильних груп, з'єднаних з вуглеводним радикалом.

Вони можуть розглядатися тому як похідні вуглеводнів, у молекулах  яких один або кілька атомів водню  замінені на гідроксильні групи.

У залежності від числа гідроксильних  груп спирти підрозділяються на одно -, дво -, триатомні і т.д.  Двохатомні спирти часто називають гликолями  за назвою найпростішого представника цієї групи – етиленгликоля (або  просто гликоля).

Спирти, що містять більшу кількість  гідроксильних груп, звичайно поєднують  загальною назвою багатоатомні спирти.

 

Одноатомні	Двоатомні	Триатомні
СН3 – ОН Метанол Етан	СН2 – СН2 I        I ОН      ОН Етандіол – 1, 2 (етиленгліколь)	СН2 – СН – СН2 І         І         І ОН     ОН    ОН Пропантріоль – 1, 2, 3 (гліцерин)

 

По положенню гідроксильної  групи спирти поділяються на:

1) первинні - з гідроксильною групою в кінцевої ланки ланцюга вуглецевих атомів, у якого, крім того, маються два водневих атоми (R-CH₂-OH);

2) вторинні, у яких гідроксил приєднаний до вуглецевого атома, з'єднаному, крім ОН-групи, з одним водневим атомом [R-СН(ОН)-R₁];

3) третинні,  у яких  гідроксил з'єднаний з вуглецем,  що  не  містить

водневих атомів [(R)С-ОН] (R-радикал: СН₃, С₂Н₅ і т. д.) У залежності від характеру вуглеводного радикала спирти поділяються на аліфатичні:

              1) аліциклічні;               2) ароматичні

На відміну від галогенпохідних, в ароматичних спиртів гідроксильна група не зв'язана безпосередньо  з атомом вуглецю ароматичного кільця [3].

 

Спирти
Аліфатичні	Аліциклічні	Ароматичні
СН3СН2ОН                            Етанол	Циклогексаном	Бензиловий спирт

Етиловий спирт (етанол, винний спирт) C₂H₅OH є важливим представником одноатомних спиртів, безбарвна рухлива рідина, пекуча на смак з характерним запахом, точка кипіння 78,39^оС, замерзає при -110,5^оС, змішується в будь-яких співвідношеннях з водою, спиртами, ефірами, гліцерином, бензином та іншими органічними розчинниками, горить безбарвним полум’ям.

Для добування «абсолютного» спирту (100% С₂Н₅ОН) ректифікат додатково обробляють з збезводнюючими речовинами (безводним сульфатом міді, добре прожареним вапном) або переганяють з бензолом.

Етиловий  спирт широко використовують у різних областях промисловості і насамперед  у хімічній. З нього одержують  синтетичний каучук, оцтову кислоту, барвники, есенції, фотоплівку, порох, пластмаси. Спирт є гарним розчинником  і антисептиком. Тому він знаходить  застосування в медицині, парфумерії. У великих кількостях етиловий спирт  йде для одержання спирто-горілчаних виробів.

 

2. Процес ректифікації, як стадія  виробництва спирту, контактні пристрої  колони.

2.1. Ректифікаційні колони.

Перегонкою (дистиляцією) називають розділення киплячих рідких сумішей різних за леткістю компонентів внаслідок  їх часткового випаровування з подальшою  конденсацією утвореної пари.

Просту  перегонку використовують для розділення сумішей, в яких показники леткості компонентів значно відрізняються, або для попереднього грубого  розділення сумішей. За допомогою простої  перегонки неможливо розділити  суміш на відносно чисті компоненти. Цього досягають ускладненим  процесом перегонки – ректифікацією.

Ректифікація  – розділення рідких однорідних сумішей  на складові компоненти або групи  складових речовин в результаті протитечійної взаємодії парової  та рідкої фаз. Ректифікація рідкої суміші на компоненти обумовлена тим, що склад  пари, утвореної над рідкою сумішшю, відрізняється від складу рідкої суміші в умовах рівноважного стану  пари та рідини.

Процес  ректифікації – це багатократний  контакт між не рівноважним станом рідкої та парової фаз, які рухаються  одна відносно одної. При взаємодії  фаз між ними проходить масо- і  тепло- обмін, спричинений намаганням системи досягти рівноваги. В  результаті кожного контакту компоненти перерозподіляються між фазами: пара збагачується легко летучим (низько киплячим) компонентом (ЛЛК), а рідина – важко киплячим компонентом (ВК).

Процеси ректифікації можуть проходити періодично і безперервно при різних тисках: атмосферним, під вакуумом (для розділення сумішей високо киплячих речовин), більше атмосферного (для розділення газових  сумішей при нормальних температурах).

В залежності від типу контактних приладів ректифікаційні колони поділяються на плівчасті, насадкові  і тарілчасті. Тарілчасті ректифікаційні колони найбільш широко застосовуються в заводській практиці. Вони мають  високу розділюючу здатність, добре працюють при значних змінах навантаження по рідині та парі (колони з ковпачковими тарілками), допускають створення апаратів великого діаметру (10 - 15 м).Основним робочим елементом будь-якої ректифікаційної колони є контактні пристрої, на яких здійснюється процес масо- і теплообміну між парою й рідиною. Процес масообміну є дифузійним і визначається площею поверхні контакту фаз F, м², рушійною силою процесу (величина нерівноважності, виражена через концентрацію) - ∆С, кг/кг і коефіцієнтом масопередачі (коефіцієнтом швидкості) К, кг/(м²∙с). Коефіцієнт масопередачі залежить від природи взаємодіючих речовин і гідродинамічного режиму контакту фаз. Кількість речовини, переданих з однієї фази в іншу, М = КF∆С кг/с.

Конструкція контактного пристрою повинна забезпечувати як можна більшу інтенсивність масообміну на ньому. Це досягається в першу чергу шляхом створення розвинутої поверхні контакту фаз і такої гідродинамічної обстановки, при якій коефіцієнт масопередачі буде по можливості більшим.

Найбільш просте конструктивне  оформлення ректифікаційних колон  реалізується при русі рідини від одного ступеня контакту до іншого під дією сили ваги. У цьому випадку контактний пристрій (тарілка) розташовується один над іншим, а ректифікаційний апарат представляється у вигляді колони.

У практиці відомі ректифікаційні апарати в  горизонтальному виконанні. У таких апаратах рідина від одного ступеня до іншого перетікає за рахунок витрати механічної або кінетичної енергії.

Контакт фаз може здійснюватися східчасто  в колонах з тарілками або безупинно - у насадкових колонах. У практиці спиртової промисловості застосовуються колони з тарілками: одноковпачковими, багатоковпачковими, сітчастими, клапанного, лускатого, гратчастого та провального типу. У всіх випадках на тарілці втримується шар рідини, через який проходить пара, в результаті чого здійснюється масообмін.

 

2.2. Контактні пристрої ректифікаційних  колон.

Роботу  тарілок в основному оцінюють за такими показниками: пропускна здатність по парі й рідині, здатність розділяти робочу суміш, діапазон усталеної роботи, гідравлічний опір.

Пропускна здатність по парі й рідині визначає продуктивність колони, або питомий об’єм цільового продукту з одиниці поперечного перерізу колони.

Здатність контактного пристрою розділяти суміш називають ефективністю контактного пристрою або колони в цілому. Ефективність тарілчастих колон, як правило, оцінюють числом теоретичних тарілок (ТТ).

Під теоретичною  тарілкою розуміється контактний пристрій, що забезпечує такий контакт пари й рідини, у результаті якого вихідні з нього потоки досягають фазової рівноваги. На реальних тарілках така рівновага практично ніколи не досягається. Теоретична тарілка є еталоном для оцінки ефективності роботи реальних тарілок.

Мірою оцінки ефективності реальної або дійсної тарілки є її коефіцієнт корисної дії (ККД). На практиці визначають ККД не окремої тарілки, а середній ККД тарілок всієї колони або значної її ділянки, що дорівнює відношенню числа теоретичних тарілок п, необхідних для здійснення заданого поділу суміші, до числа реальних тарілок N, необхідних для тієї ж цілі: η = п/N.

ККД тарілок залежить від їхньої конструкції, діаметра колони, міжтарілочної відстані, швидкості пари, навантаження колони, фізичних властивостей розділяючої суміші й багатьох інших факторів.