Антипов С.Т. и др. Машины и аппараты пищевых производств. Книга 2. Том 2

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 22 Оборудование для ведения процесса

ректификации пищевых сред

371

/ 2 3

4 5 6 7

Рис.

22.3 Тарелки ректификационных колонн

установок малой производительности (для разделения жидкостей со взвешенными

частицами или способных выделять осадки). В одноколпачковой тарелке двойного

кипячения 2 барботаж происходит из под краев колпачка и воротника. Благодаря

этому создаются встречные потоки пара, улучшающие контакт пара и жидкости.

Многоколпачковые (капсульные) тарелки 3 применяют в колоннах для разделения

жидкостей, не содержащих взвешенных частиц. Они имеют большой периметр бар-

ботажа и более эффективны.

Ситчатые (решетчатые) тарелки 4 с отверстиями диаметром 2,5...3,5 мм (для

разгонки жидкостей, не содержащих взвешенных частиц) и 8... 12 мм (для разгонки

жидкостей со взвешенными частицами или жидкостей, способных выделять осадки).

В провальной тарелке (решетчатого типа) 5 нет сливных стаканов, и жидкая фа-

за сливается через те же отверстия, через которые поступает на тарелку пар. Тарелки

изготовляются из стальных или медных листов толщиной 2,5...6 мм. Щели тарелки

выполняются штамповкой или фрезеровкой с живым сечением 10...

%. Расстоя-

ние между тарелками составляет 300...600 мм. Такие тарелки применяются в браж-

ных колоннах при перегонке паточной и зернокартофельной бражки.

В клапанных тарелках 6 распределительным устройством для пара являются

клапаны (пластины той или иной формы), которые перекрывают отверстия тарелки

и под давлением пара поднимаются, пропуская пар. Предельная высота подъема

клапана определяется высотой ограничительного устройства. Клапанные тарелки

обладают способностью к самоочищаемости. Они используются в ректификацион-

ных и эпюрационных колоннах.

Некоторые разновидности ситчатых тарелок являются чешуйчатые тарелки 7,

отверстия которых выполнены так, что поток пара проходит через тарелку под уг-

372 Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

лом меньше 90° к плоскости тарелки с наклоном паровых струй в сторону движения

жидкости по тарелке. Характерной особенностью чешуйчатых однонаправленных

тарелок является значительное снижение брызго- и пеноуноса при относительно

высокой скорости движения пара в колонне и более широкий диапазон нагрузок при

сохранении высокого значения КПД.

Работу тарелок оценивают по пропускной способности пара и жидкости, по

способности разделять рабочую смесь, по диапазону устойчивой работы, по гидрав-

лическому сопротивлению и др. Пропускная способность по пару и жидкости харак-

теризует производительность колонн (удельный объем конечного продукта с едини-

цы поперечного сечения колонны).

Способность разделять перегоняемую смесь называют эффективностью кон-

тактного устройства или колонны в целом. Обычно определяют число теорети-

ческие тарелок (ступеней изменения концентраций) или число единиц переноса и

по нему оценивают эффективность тарельчатых колонн.

Под теоретической тарелкой понимают такое устройство, которое обеспечивает

контакт пара и жидкости, в результате покидающие его потоки достигают фазового

равновесия. Практически на реальных тарелках такое равновесие почти никогда на

достигается. Теоретическая тарелка служит эталоном для установления эффектив-

ности реальных тарелок.

Не следует смешивать того, что нам кажется

невероятным и неестественным,

с абсолютно невозможным.

ГА УСС

КАРЛ ФРИДРИХ (1777-1855),

немецкий математик

22.3 БРАГОПЕРЕГОННЫЕ УСТАНОВКИ

В спиртовой промышленности применяются брагоперегонные установки двух

типов - одноколонные (рис. 22.4, а) и двухколонные (рис. 22.4, б).

В одноколонной установке бражка, предварительно подогретая в дефлегматоре

4, поступает на верхнюю тарелку колонны 1. Нижняя часть колонны называется

бражной, куда снизу подводится греющий пар. Из бражной колонны водно-

спиртовые пары направляются в нижнюю часть спиртовой колонны 2; здесь пары

укрепляются. Из колонны 2 укрепленные пары поступают в межтрубное простран-

ство дефлегматора 4. Конденсируясь пары, отдают теплоту бражке, протекающей в

трубах дефлегматора. Конденсат водно-спиртовых паров возвращается в колонну 2

в виде флегмы. Несконденсировавшиеся пары направляются в холодильник 5, где

они конденсируются и образуют спирт-сырец. Спирт-сырец содержит не только во-

ду и спирт, но и другие летучие продукты, входящие в состав бражки.

В двухколонной установке подогретая в дефлегматоре 4 бражка поступает в

бражную колонну 7, где из бражки испаряется спирт. Водно-спиртовые пары через

ловушку 6 попадают во вторую колонну. В ловушке отделяется жидкость, увлечен-

ная парами; отсюда она возвращается в колонну 1. Верхняя часть колонны 2 служит

для укрепления паров спиртом; нижняя часть колонны 3 предназначена для истоще-

ния (вываривания) стекающей флегмы, откуда отводится лютерная вода. Таким об-

разом, в этой установке из бражки и флегмы спирт испаряется раздельно, вследствие

чего получается барда с большим содержанием сухих веществ, так как она не сме-

шивается с лютерной водой.

Глава 22 Оборудование для ведения процесса

ректификации пищевых сред

373

Рис. 22.4 Принципиальные схемы брагоперегонных установок:

П - пар; Б - барда; Бр - бражка; Ф - флегма; В - вода; Л - лютерная вода; С

—

спирт-сырец

Одноколонный брагоперегонный аппарат (рис. 22.5) состоит из колонны 2,

дефлегматора 7 с горизонтальными трубами и конденсатора-холодильника 11 для

спирта.

Во время работы аппарата бражка насосом прокачивается через трубы дефлег-

матора, где она прогревается теплом водно-спиртовых паров, конденсирующихся в

межтрубном пространстве. Подогретая бражка проходит через смотровой фонарь 8

и поступает на верхнюю тарелку бражной части колонны 2, температура в которой

измеряется с помощью термометра 5.

Греющий пар поступает в нижнюю часть бражной колонны 2. Количество его ре-

гулируется манометрическим паровым регулятором (на схеме не показан). Истощен-

ная бражка отводится через бардяной поплавковый регулятор 1. Содержание спирта в

отходящей барде контролируется с помощью пробного холодильника 4. Из бражной

части колонны водно-спиртовые пары поступают на верхнюю часть колонны (спирто-

вую).

На тарелках этой колонны они вступают в контакт с флегмой, стекающей из

дефлегматора 7, и укрепляются. Несконденсировавшиеся в дефлегматоре пары посту-

пают в межтрубное пространство верхней части холодильника. Здесь они конденси-

руются, образуя спирт-сырец. Конденсат стекает в змеевиковую нижнюю часть холо-

дильника, которая служит для охлаждения спирта-сырца. Спирт-сырец проходит че-

рез фильтр 10 и направляется в фонарь 9.

Гидравлический предохранитель 6 предотвращает образование в колонне ва-

куума. Жидкость из пробного холодильника поступает в сборник 3. Колонна изго-

товляется из меди. При приемке она испытывается под давлением 0,1 МПа.

374

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

Техническая характеристика одноколонной

брагоперегонной установки

Производительность при переработке

бражки крепостью 7,5 об. %, дал/сут 500

Режим работы бражной колонны:

избыточное давление, МПа до 0,05

средняя температура, °С 100

Общее число тарелок: 27

в том числе в укрепляющей части

многоколпачковые 7

ситчатые 2

в истощающей части одноколпачковые 18

Диаметр колонны (внутренний), мм 700

Высота колонны, мм 8240

Масса, кг 9566

Горизонтальный дефлегматор (рис. 22.6) состоит из двух барабанов. Он имеет

две трубчатые многоходовые поверхности охлаждения. В одной из них по трубам

протекает бражка, в другой - охлаждающая вода. Бражка и вода делают в дефлегма-

торе несколько ходов, что обеспечивается соответствующим расположением пере-

городок в распределительных коробках.

Для направления потока пара в межтрубном пространстве дефлегматора уста-

новлены поперечные перегородки. Бражные трубы дефлегматоров изготовляют из

меди, водяные трубы - из стали. Дефлегматор испытывают гидравлическим давле-

нием 0,4 МПа для трубного пространства и 0,15 МПа для межтрубного пространст-

ва. Корпус дефлегматора, коробки, крышки, решетки, фланцы, патрубки и трубы

водяной секции изготовляются из углеродной стали; трубы бражной секции - из

меди; обечайки, фланцы, днище и решетки - из стали.

Техническая характеристика дефлегматора

двухбарабанного горизонтального

Диаметр (внутренний) барабана, м 600

Длина, мм 3465

Общая площадь поверхности теплообмена, м

Масса, кг ,

Т 495

Глава 22 Оборудование для ведения процесса

ректификации пищевых сред

Рис.

22.6. Двухбарабанный горизонтальный дефлегматор

376

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

Комбинированный холодильник

(рис.

22.7) для конденсации и охлаждения

спирта-сырца в верхней части имеет прямые

медные трубы, по которым движется вода, а

в нижней части холодильника установлены

медные змеевики. Вода поступает сначала в

нижнюю часть холодильника и омывает на-

ружную поверхность змеевиков, затем она

направляется в трубное пространство верх-

ней части. Трубы змеевиков имеют малое

сечение, поэтому скорость конденсата в них

и коэффициент теплопередачи значительны.

Техническая характеристика

комбинированного

холодильника для спирта-сырца

Диаметр (внутренний), мм 600

Высота, мм 3806

Площадь поверхности охлаждения, м

трубной части 20

змеевиковой части 5

Масса, кг 1037

Инженерные расчеты. Исходными

данными для расчета брагоперегонных ап-

паратов являются производительность аппа-

рата, содержание спирта в бражке (крепость)

и спирте-сырце. Для расчета этих показате-

лей вначале требуется определить число та-

релок в аппарате, диаметр и высоту колонн,

диаметр штуцеров для ввода пара, бражки, для отвода паров спирта-сырца и барды.

После выбора типа тарелки определяют предельно допустимую скорость пара

или газа v„

, (м/с) по уравнению

Рис.

22.7 Комбинированный холодильник

для спирта-сырца

пр

0.05^/р

где р

, р

- соответственно плотность жидкости и газа, кг/м .

Скорость газа (пара) в свободном сечении колонны принимается равной (0,8...0,9)

v„

Минимальное расстояние между тарелками, обеспечивающее необходимый

гидравлический затвор, определяется соотношением

где h

- высота столба жидкости в сливном патрубке, необходимая для создания скоро-

сти жидкости, м; h, - высота столба жидкости в сливном патрубке, обеспечивающая

гидравлический затвор, м; h

—

расстояние от тарелки до нижнего края сливного пат-

рубка, м.

лава

Оборудование

для

ведения

процесса

ректификации пищевых

сред

377

Высота столба жидкости в сливном патрубке

=(v

/2g){l

^+^),

где v

- скорость жидкости в сливном патрубке, принимаемая обычно в пределах

0,02...0,06 м/с; 2ji - коэффициент сопротивления выхода; ^

~ коэффициент, выра-

жающий сопротивление сливного патрубка.

В свою очередь

= XI,

где X - коэффициент гидравлического сопротивления; I, - рабочая длина сливного

патрубка (h

+ Л,), м; а, - диаметр сливного патрубка, м.

Высота hj уравновешивает перепад давления между тарелками. Следовательно,

где р„ -- плотность пены в сливном патрубке, приближенно равная 0,5 р^.

Сопротивление ситчатой тарелки Ар (Па) может быть определено по уравнению

Ар

Ар,

Ар

где Ар, - сопротивление «сухой» тарелки; Ар

- перепад давления, необходимый

для преодоления сил поверхностного натяжения; Ар

- сопротивление столба жид-

кости в тарелке.

Величина Ар

определяется по величине поверхностного натяжения жидкости

Ар

=4a/d

где ст - поверхностное натяжение на границе фаз, Н/м; do - диаметр отверстия в та-

релке, м.

Сопротивления Ар, и Ар

могут быть вычислены по уравнениям

Ар = 1,83р

,\'о

/2; Ар

\,lkh

lfkAh ,

где

Уо

- скорость газового (парового) потока в отверстиях тарелки, м/с; к = 0,5 - от-

ношение плотности пены на тарелке к плотности жидкости; h - высота сливного

порога, м; Ah - высота слоя небарботируемой жидкости у сливного порога, м;

Ah =

YJ{L/^h)

где L - массовый расход жидкости, кг/ч; ф - коэффициент расхода жидкости через

сливную перегородку (ф =

6400...

000);

- ширина сливной перегородки, м.

Гидравлическое сопротивление колпачковой тарелки определяется из равенства

&Р

Ар

378

Часть

Машины

аппараты-преобразователи

пищевых сред

где

Ар

потери давления газового (парового) потока

при

проходе через колпачок,

Па;

bp -

потери давления

при

проходе газа (пара) через прорези,

Па; Ар

- со-

противление столба жидкости

на

тарелке,

Па.

Сопротивление колпачка

Ар

достаточной точностью можно определить,

суммируя потери давления

при

преодолении местных сопротивлений, обусловлен-

ных сужением газовой струи

и ее

поворотами внутри колпачка. Минимальные гид-

равлические сопротивления обычно соответствуют равенству скоростей газового

потока

во

всех сечениях колпачка

nd„h

={n/4d

-d

где d„

диаметр патрубка,

м; d

диаметр колпачка,

м; h

высота расположения

колпачка

над

патрубком,

м.

Лучшие гидротермические характеристики имеют колпачки,

которых диаметр

равен 40...60

мм и

площадь всех сечений паровых патрубков составляет 10... 15

площади поперечного сечения колонны.

Сопротивление колпачка может быть вычислено

по

формуле

где

v -

скорость газа (пара)

патрубке,

м/с; £tj ~

сумма всех сопротивлений.

Сопротивление прорезей можно найти

по

уравнению

где

Ъ„р

= 1,5 -

коэффициент местного сопротивления

при

проходе газа через про-

резь;

v„

скорость газа (пара)

прорези,

м/с; Ар

сопротивление, обусловленное

силами поверхностного натяжения,

Па.

В данном случае

=4а/</

где

d, -

гидравлический диаметр открытого отверстия прорези.

Сопротивление столба жидкости

на

колпачковой тарелке определяется

по

тому

же уравнению,

что и на

ситчатой.

Мерой оценки эффективности реальной (действительной) тарелки является

ее

коэффициент полезного действия (КПД).

практике определяют

КПД не

отдельной

тарелки,

средний

КПД

тарелок всей колонны

(или

значительного

ее

участка),

ко-

торый равен отношению числа теоретических тарелок

п,

необходимых

для

осущест-

вления заданного разделения смеси,

числу реальных тарелок

необходимых

для

той

же

цели

г)

= п / N

КПД тарелок зависит

от их

конструкции, диаметра колонны, межтарелочного

расстояния, скорости пара, нагрузки колонны, физических свойств разделяемой

смеси

др.

(г) =

0,4.. .0,6).

Глава 22 Оборудование для ведения процесса

ректификации пищевых сред

379

TH Содди заметил гелий только потому,

Uli

что он его искал.

W БРОНШТЕЙН МАТВЕЙ ПЕТРОВИЧ (1906-1938),

У физик

22.4 РЕКТИФИКАЦИОННЫЕ УСТАНОВКИ

В спирте-сырце содержится более 40 различных летучих веществ. По химиче-

скому характеру они весьма разнообразны, но с точки зрения ректификации могут

быть разделены на четыре основные группы: головные, хвостовые, промежуточные

и концевые. Это разделение произведено в зависимости от летучести примесей в ус-

ловиях работы ректификационных установок. В непрерывнодействующих установ-

ках примеси отбирают непрерывно с тех тарелок колонн, где они накапливаются в

наибольшем количестве.

Выделение примесей из спирта-сырца осуществляется в ректификационных ус-

тановках (непрерывных и периодических).

В непрерывнодействующих ректификационных аппаратах на тарелках колонн

устанавливается определенная крепость водно-спиртового раствора, повышающаяся

от нижних тарелок к верхним. Головные примеси проходят через всю колонну, не

задерживаясь. Промежуточные и хвостовые примеси задерживаются в зоне тех та-

релок, на которых они будут иметь коэффициент ректификации, близкий к единице.

Отсюда они и отводятся.

В ректификационных установках непрерывного действия из спирта-сырца по-

лучают спирт-ректификат, непрерывно отбирая побочные продукты - эфироальде-

гидную фракцию, сивушное масло, промежуточные продукты. Отходом ректифика-

ции является лютерная вода.

На спиртовых заводах страны широкое распространение получили установки, в

которых в одной колонне из спирта-сырца сначала выделяются более летучие ком-

поненты. Затем спирт-сырец, освобожденный от основной массы головных продук-

тов,

поступает во вторую колонну, где происходит выделение спирта-ректификата,

отбор сивушного масла, и отходит лютерная вода. В этой же колонне отбирается

остаток головной фракции. Таким образом, разделение сложной смеси, какой явля-

ется спирт-сырец, производится в установке, состоящей из двух колонн. Первая из

них называется эпюрационной, вторая - ректификационной.

В двухколонной ректификационной установке (рис. 22.8) спирт-сырец из на-

порного резервуара 5 через регулятор 6 поступает в подогреватель 31, здесь спирт-

сырец подогревается за счет охлаждения лютерной воды, отходящей из ректификаци-

онной колонны 21. Подогретый спирт-сырец поступает в смеситель 3, где смешивает-

ся с лютерной водой, поступающей из напорного резервуара 16, закачиваемой насо-

сами 33 из емкости 32. Спирт-сырец разбавляется лютерной водой для повышения

коэффициента ректификации примесей. Разбавленный подогретый спирт-сырец по-

ступает в эпюрационную колонну 4, которая состоит из двух частей: нижней, распо-

ложенной ниже входа спирта-сырца, и верхней. Эпюрационная колонна имеет гори-

зонтальный трубчатый дефлегматор 7 с водяным охлаждением и вертикальный труб-

чатый конденсатор 8 со смотровым фонарем 9. В этой колонне выделяются головные

продукты, которые поступают в фонарь 28, а оттуда в сборник. Спирт-сырец (эпюрат),

освобожденный от большей части головных примесей, отводится снизу эпюрацион-

ной колонны в ректификационную колонну 21. Эта колонна снабжена двухбарабан-

380

Часть II Машины и аппараты-преобразователи

пищевых сред

ным дефлегматором 14 и конденсатором 12 со смотровым фонарем 11. В колонне 21

спирт-ректификат отбирается с одной из верхних тарелок (4-й или 5-й сверху) в жид-

ком виде и направляется в холодильник 18 для спирта-ректификата, а оттуда в фонарь

17.

Часть головных продуктов, оставшаяся в эпюрате, выделяется в ректификацион-

ной колонне и отводится из конденсатора 12 в эпюрационную колонну. Этот продукт

называется непастеризованным, или нестандартным, спиртом.

Пары сивушного масла через сепаратор 22 поступают в верхнюю секцию холо-

дильника 27, где они конденсируются. Конденсат поступает в маслоотделитель 25

через смеситель 24, куда добавляется вода, необходимая для выделения масла. Вы-

делившееся масло направляется в сборник, а водно-спиртовой раствор возвращается

в колонну через подогреватель 50. В ректификационной колонне отбираются также

промежуточные продукты (крепкий сивушный спирт), которые направляются через

нижнюю секцию холодильника 27 в фонарь 26. Греющий пар подается в нижнюю

часть ректификационной колонны. Подача его контролируется паровым манометри-

ческим регулятором 19.

Эпюрационная колонна обогревается паром, поступающим из кубовой части

ректификационной колонны. Неконденсирующиеся газы из конденсаторов через

сепаратор К) направляются в конденсатор 13. установленный в баке с холодной во-

дой. В конденсаторе собирается спиртовой пар. унесенный газами, а газы удаляются

в атмосферу. Для предохранения аппаратуры от сжатия установлены вакуум-

прерыватели /, 15, 20. Количество воды и спирта-сырца контролируется ротаметра-

ми 2. Потери спирта с лютерной водой контролируются при помощи пробного хо-

лодильника 23, в котором водно-спиртовые пары конденсируются и собираются в

сборнике 29.

Охлаждающая вода поступает из бака 13 и распределяется по холодильникам,

конденсаторам и дефлегматорам.

Кроме двухколонных ректификационных установок существуют также уста-

новки с большим числом колонн. В них устанавливают дополнительные колонны

для очистки спирта-ректификата от головной и хвостовой фракций.

В трехколонной ректификационной установке (рис. 22.9) наряду с эпюраци-

онной и ректификационной колоннами имеется также сивушная колонна. Спирт-

сырец насосом 26 подается в напорный резервуар /; отсюда через регулятор напора

он поступает в теплообменник 25. где нагревается теплом лютерной воды, отхо-

дящей из ректификационной колонны

21.

Нагретый спирт-сырец поступает в эпю-

рационную колонну 24, обогреваемую паром. В верхнюю часть эпюрационной ко-

лонны предусмотрен ввод лютерной воды, которая из сборника насосом подается в

резервуар 3 и регулятор напора 4.

Эпюрационная колонна имеет дефлегматор 5 и конденсатор 6. Головная фрак-

ция отбирается в конденсаторе 6 и направляется в холодильник

22,

откуда поступает

в фонарь 23.

Из нижней части эпюрационной колонны эпюрат попадает в ректификацион-

ную колонну

21.

Эта колонна снабжена двухбарабанным горизонтальным дефлегма-

тором 7 и конденсатором 8. Спирт-ректификат отбирается с нескольких верхних

тарелок этой колонны в жидком виде, охлаждается в холодильнике 20 и выводится

через фонарь 19. Непастеризованный спирт, как и в двухколонной установке, из

конденсатора ректификационной колонны поступает в эпюрационную колонну. Та-

ким образом, в этой части установка подобна двухколонной установке.