Технология и техническое оснащение спиртового завода мощностью 2000 далл

 

Расчет  брагоректификационной  установки. 

Для расчета используем данные материального  баланса по каждой колонне. 

Бражная колонна. В бражную колонну вносится тепло с бражкой Q _М   и с греющим паром Q_Р1; отводится тепло из колонны с водно-спиртовыми парами Q_G1 и бардой Q_б. Давление в выпарной камере колонны принимаем равным 119 кПа. Теплопотери Qп, для изолированной колонны, по данным П. С. Цыганкова, составляют 420 — 837 кДж на 100 кг бражки. Величину теплопотерь в расчете принимаем равной 837 кДж на 100 кг бражки.

Количество тепла, вносимого в  колонну с бражкой, Q _М  = М ∙ с_М ∙ t _М = 12767,0 ∙ 3,85 ∙ 75 = 3691197 кДж,

где М — количество бражки, кг; 

с_м — теплоемкость бражки, кДж/(кг-К); 

t _М — температура бражки на входе в колонну, °С.

Количество тепла, отводимого с  водно-спиртовыми парами Q _G 1 = G1 ∙ i”_G1  = 1797,6 ∙ 20250 = 3640184 кДж,

где G1, — количество водно-спиртовых паров, кг; 

i”_G1   — теплосодержание водно-спиртовых паров, кДж/кг.

Количество тепла, отводимого с  бардой (без учета конденсата пара), Q б ₁ = Б ∙ с_б  ∙  t _б  = 10970,0 ∙ 4,06 ∙ 103 = 4592294 кДж,

где Б — количество барды (без учета конденсата пара), кг; 

с_б — теплоемкость барды, кДж/(кг-К); 

t _б  — температура барды при рабочем давлении в выварной камере колонны, °С.

Теплопотери в бражной колонне  составляют Q п ₁ = 837 ∙ 12767,6 : 100 = 106992 кДж. 

Количество тепла, вносимого в  колонну с греющим паром при  давлении 303 кПа, Q _P 1 = P1 ∙ i”_P 1  = P1 ∙ 2724,8 кДж.

Количество тепла, отводимого пз колонны  с конденсатом греющего пара, Qp _К 1 = Р1 ∙ 431,6 кДж.

Уравнение теплового баланса  колонны   

Qм + Q р ₁ = Q _G 1 + Q б ₁  + Qp _К 1  + Q п ₁

Расход  пара  в   колонне Р1 = 4648273 : (2724,8— 431,6) = 2027 кг, или 20,3 кг/дал.

Количество отходящей  из колонны барды составляет 10970,0 + 2027= 12997 кг.

Тепло, отводимое с бардой,   Q б = Q б ₁  +  Qp _К 1  = 4592294 + 2027  ∙ 431,6 = 5467103 кДж.

Количество тепла Q k ₁  , выделяющегося при конденсации водно-спиртовых паров в дефлегматоре бражной колонны, определяется по уравнению Q k ₁ = Q _G 1 — Q _Д 1 = G1 ∙ (i’_G 1  — i_G 1 ),  где Q Д ₁ — количество тепла, отводимого из дефлегматора, кДж; iG ₁ — теплосодержание конденсата водно-спиртовых паров, кДж/кг.

Q k ₁  = 1797,6  ∙ (2025 ,0 — 385,9) = 2946496 кДж.

Количество тепла, расходуемого на подогрев бражки с 28 до 75°С, Q’м = 12767,0 ∙ 3,85 ∙ (75—28) = 2313596 кДж. Остальное количество тепла (Q k ₁  — Q’м ) отводится охлаждающей водой.

При начальной температуре  воды t в.н. = 20˚С и температуре её на выходе из водяной секции дефлегматора-подогревателя бражки t в.к. = 60°С расход воды W, составляет (2946496—2313596)/[(60—20) ∙ 4,19] = 3780 кг, или 0,038 м3/дал. 

 

Эпюрационная колонна. В колонну вводится тепло с бражным дистиллятом Q д ,  с непастеризованным спиртом Q н.с. , с головным погоном из сивушной колонны Q г.п. , с флегмой из дефлегматора Q ф ₂   и с греющим паром Q р ₂   ; отводится тепло из колонны со спиртовыми парами в дефлегматор Q _G 2 , с эпюратом Q э  , с потерями в окружающую среду Q п ₂  .

Теплосодержание бражного дистиллята принимаем при температуре, на 2° С меньшей температуры кипения.

Количество тепла, вносимого  в колонну с дистиллятом, Q д  = D ∙ iд = 1797,6 ∙ 388,8 = 698964 кДж.

Количество тепла, вносимого  в колонну с греющим паром, Q р ₂   = Р2 ∙  i”2 = 1067 ∙ 2724,8 = 2907315 кДж.

Количество тепла, вносимого  с непастеризованным спиртом, Q н.с. = 24,4 ∙ 20 ∙ 2,60 = 1270 кДж.

Количество тепла, вносимого  с головным погоном из сивушной колонны (при t = 50° С), Q г.п. = 34,8 ∙ 50 ∙ 2,80 = 4886 кДж.

Давление в выварной камере колонны  р  принимаем равным 119 кПа. При этом давлении температура эпюрата  tэ определяется с учетом эбулиометрической поправки: ∆ tэ = 2,5р= 0,038 ∙ 119 = 4,5° С.

При крепости эпюрата 28,4% мас. и давлении 119 кПа температура эпюрата на выходе из колонны tэ = tк.э. + ∆ t = 84,8 + 4,5 = 89,3° С.

Количество тепла, выводимого с эпюратом, Qэ = Э ∙ Сэ ∙ tэ = 2898,5 ∙ 4,53 ∙ 89,3 = 1176539 кДж,

где Э — количество эпюрата, кг; Сэ — теплоемкость эпюрата, кДж/(кг-К).

Теплопотери в колонне  принимаем из расчета 2,5% от количества тепла, внесенного с греющим паром, бражным дистиллятом и другими продуктами: Q п ₂ = (2907315+1270+4886+698964) ∙ 2,5 : 100 = 90312 кДж.

Тепловая нагрузка q на дефлегматор и конденсатор колонны составляет

q = G2 ∙  i”G ₂  — G ф ₂ ∙ С ф ₂ ∙ t ф ₂ = (Qд +Q р ₂ +Q н.с. +Q г.п.) — (Qэ — Q п ₂)= 698 964+2907315+1270 +4886 —(1176539 + 90312)= 2345584 кДж, где G2 — количество паров, поступающих в дефлегматор, кг;

G ф ₂ — количество возвращаемой в колонну флегмы, кг;

i”G ₂  , С ф ₂  , t ф ₂   — соответственно теплосодержание паров (в кДж/кг), теплоемкость [в кДж/(кг-К)] и температура (в °С) флегмы. при крепости головной фракции Х = 92,41% маc.

i”G ₂  = 1194 кДж/кг;       С ф ₂ = 3,44 кДж/(кг-К);      t ф ₂ = 78° С.

Количество флегмы определяется по разности между паровым потоком, поступающим в дефлегматор, и  величиной отобранной из конденсатора головной фракции G ф ₂ = (G2 — 21,3) кг.

Решая уравнение баланса  относительно G п ₂    находим количество паров, поступающих в дефлегматор,

G2 = (3612434—1266850—21,3 ∙ 3,44 ∙ 78)/(1194—3,44 ∙ 78) = 2527 кг, или 25,3 кг/дал.

Количество тепла, уносимого  с парами  в дефлегматор,   Q _GП2 =  2527 ∙ 1194 = 3017617 кДж.

Количество тепла, отводимого при конденсации водой, находим  по разности

Q конд 2  =  Q G ₂ — ( G п ₂   — 2,13) ∙ С ф ∙ t ф  — 21,3 ∙ 2, 60 ∙ 20  =  2344478 кДж.

Для отвода данного количества тепла при t в.н. = 20° С   и   t в.к. = 75° С   необходимо

W2 = Q к ₂ /[( t в.к.  —  t в.н.) Св] = 2344478/[(75 — 20) ∙ 4,19] = 10170 кг воды, или 0,102 м3/дал.

Количество тепла, поступающего в колонну с флегмой,

Qф =  3017617—2344478—1106 = 672033 кДж. 

 

Ректификационная колонна. В колонну вводится тепло с эпюратом фа, с греющим паром Qэ , с флегмой Q _ф 3    отводится тепло из колонны со спиртовыми парами и дефлегматорQ _G 3 , с ректификованным спиртом Q _Д 3, с погоном парой сивушного масла Q _с.м. , с сивушным спиртом

Q _с.с. , с лютерной водой Q’_Д 3 , с потерями в окружающую среду Q п ₃. Флегмовое число колонны принимаем равным V = 4,5.

Количество дистиллята, отбираемого из ректификационной колонны, равно сумме ректификованного спирта D3, направляемого в колонну окончательной очистки, и непастеризованного спирта Dз =  Dз + С н.с. = 820,6 +12,2 = 832,8 кг.

Количество спиртовых  паров, поступающих в дефлегматор, Gз = Dз(V+1) = 832,8 ∙ 5,5 = 4580,4 кг.

Количество флегмы, возвращаемой в колонну, Ф3 = Gз — Cн = 4580,4 — 12,2 = 4568,2 кг.

Количество тепла, поступающего со спиртовыми парами в дефлегматор, Q _G 3  = G3 ∙ i" = 4580,4 ∙ 1140 = 5220191 кДж,

где i"  — теплосодержание спиртовых паров при крепости 94,72% мас.

Количество тепла, возвращаемого  в колонну с флегмой,   Q _ф 3 = Ф3 ∙ С _ф 3  ∙ tф₃ = 4568,2 ∙ 3,35 ∙ 78,2 = 1197443 кДж,    

где   С ф ₃  и  tф₃  — соответственно теплоемкость [в кДж/(кг∙К)] и температура кипения флегмы при крепости 94,72% мас.

Количество тепла, отводимого с ректификованным спиртом,  Q Д ₃ = Dз ∙ Сд₃  ∙ tд₃ = 820,6 ∙ 3,44 ∙ 78,2 = 217042 кДж, где Сд₃  и  tд₃    соответственно   теплоемкость  [в кДж/(кг∙К)]  и температура кипения  (в °С) ректификованного спирта при крепости 94,2% маc.

Тепло, отводимое с сивушным спиртом, определяется с учетом эбулиометрической  поправки на давление ∆t. Давление в выварной камере колонны принимаем равным 124 кПа, давление в зоне отбора сивушного спирта при этом условии составляет 119 кПа.

Фактическая температура  сивушного спирта на выходе из колонны   t с.с = t к.с.с. + ∆t = 79,1 + 119 ∙ 0,038 = 83,6,   где   t к.с.с. — температура кипения жидкости с концентрацией в ней спирта 75,81% мас. Q с.с. = 14,4 ∙ 4,15 ∙ 83,6 = 4994 кДж, где 4,15 — теплоемкость сивушного спирта при t = 83,6° С.

Количество тепла, отводимое  с погоном паров сивушного  масла, Q с.м. = 55,6 ∙ 1965= 109 258 кДж, где 1965 — теплосодержание паров сивушного масла при крепости спирта 42,43% мас.

Температура лютерной воды с учетом эмбулиометрической поправки на давление tл₁  =100 + 124 ∙ 0,047 = 105,8˚ С.

Количество тепла, отводимое  с лютерной водой (без конденсата пара), Qл₁ = 1993,5 ∙ 4,27 ∙ 105,8 = 900850 кДж.

Теплопотери принимаем  равными 5% от количества тепла, отводимого с продуктами.

Расход греющего пара определяем из уравнения теплового баланса

Рз ∙ i" + Qз + С ф ₃   =  Q G ₃   + Q Д ₃  +  Q с.с. + Q с.м. + Qл₁  + QкРз + Qп_{3 ,}

откуда Qп₃  =  (  Q G ₃   + Q Д ₃  +  Q с.с. + Q с.м. + Qл₁  + Рз ∙ i") ∙ 0,05

Подставляя значение Qп₃  в уравнение баланса и решая его относительно Рз, получаем

Рз ∙ (i" —1,05 ∙ i") = 4 400 971 кДж; i" = 4,27 ∙ 105,8 = 452,1 кДж.

Расход пара в колонне  Р3 = 4 400 971 : (2724,8 — 1,05 ∙ 452,1 ) =  1950 кг, или 19,0 кг/дал.

Количество лютерной воды (с учетом конденсата пара) Л’1 = Л1 + Pз = 1993,5 + 1956 = 3949,5 кг.

Величина теплопотерь Qп₃  = (5220191 + 217042 + 4994 +109258+ 900850 + 1956 ∙ 452 ∙ 1) ∙ 0,05 = 366763 кДж.

Количество тепла, отводимое  с лютерной водой, Qл₁ = Л’1 ∙ i'  = 3949,5 • 452,1 = 1785359 кДж.

Количество тепла, вносимое в колонну с греющим паром Qр₃ = Р3 ∙  i' = 1956 ∙ 2724,8 = 5529626 кДж.

Теплота непастеризованного спирта составляет Qн.с. = 1270 : 2 = 635 кДж.

Количество тепла, отводимое  водой при конденсации паров,

Q конд з = Q G ₃  ∙ (Q ф ₃ + Q н.с.) = 5220191 ∙ (1197443 + 635) = 4022093 кДж.

При температуре воды на выходе из дефлегматора колонны 75°С и  начальной ее температуре 20° С  расход воды составляет

Wз = Q к ₃ / [(tв_К — tв_Н) ∙ С = 4022093 / [(75 — 20) ∙ 4,19]= 17455 кг,    или   0,175 м3/дал. 

 

Колонна окончательной очистки. В колонну вводится тепло с ректификованным спиртом Q д ₃ , с флегмой Q ф ₄ и с греющим паром Q п ₄ , отводится тепло с ректификованным спиртом Q д ₄, со спиртовыми парами в дефлегматор Q _G 4 , с потерями в окружающую среду Q п _4.

Флегмовое число колонны V2 принимаем равным 1,0; теплопотери — 5% от уходящего с продуктами тепла.

Количество дистиллята, отбираемого из колонны, равно сумме  ректификованного спирта высшей очистки  и непастеризованного спирта:

D’₄  = D₄ + Cн = 808,4 + 12,2 = 820,6 кг.

Количество спиртовых  паров, поступающих в дефлегматор, G₄ = D’₄ ∙ (V2 + 1) = 820,6 ∙ 2,0 = 1641,2 кг.

Количество флегмы, возвращаемой в колонну, Ф₄ = G₄ — Cн = 1641,2 — 12,2 = 1629,0 кг.

Количество тепла, поступающего в колонну с ректификованным  спиртом, Q д ₃ = 217042 кДж.

Количество тепла, поступающее  со спиртовыми парами в дефлегматор,  

Q G ₄ = G₄  ∙  i " = 1641,2 ∙ 1140 = 1870441  кДж, где i " — теплосодержание спиртовых паров при крепости 94,72% мас.

Тепло,   возвращаемое  в  колонну с  флегмой, 

Qф₄ = D₄  ∙ Cф₄ ∙ tф₄  =  1029,0 ∙ 3,44 ∙ 78,2  = 437679    кДж,    где    Cф₄   и   tф₄ — соответственно теплоемкость   [в  кДж/(кг∙К)]   и температура   (в °С)   флегмы.

Давление в колонне  принимаем равным 107 кПа. При данном давлении эбулиометрическая поправка к температуре кипения спирта составляет

∆ t = 0,014 ∙ 107 = 1,5° С.

Температура спирта па выходе из колонны  t д ₄ = t к.р.с. + ∆ t ₄ = 78,2 +1,5 = 79,7˚С.

Тепло, отводимое из колонны  с ректификованным спиртом,

Q д ₄   = D₄ ∙ Cд₄ ∙  tд₄  = 808,4 ∙ 3,48 ∙ 79,7 = 224064 кДж, где Cд₄  и  tд₄   — соответственно теплоемкость [в кДж/(кг ∙ К)] и температура (в °С) спирта при крепости 94,15% мас.

Q п ₄   = (Q G ₄   + Q д ₄ ) ∙ 0, 05 = (1870441 + 224064) ∙ 0,05 = 104725 кДж.

Расход греющего пара определяем из уравнения теплового баланса

Q д  ₃ + Q ф  ₄ + Р ₄  ∙ i " =  Q G ₄   + Q д  ₄  + Р ₄  ∙  i' + Q п ₄    +  Р ₄  ∙ (i " — i') = 1544509 кДж,

где i " и i' — соответственно теплосодержание (в кДж/кг) греющего пара и конденсата пара.

при давлении пара 303 кПа i " = 2724,8 кДж/кг.

Давление па выходе конденсата из теплообменника (змеевика) принимаем  равным 202 кПа.

i' =502,3 кДж/кг, Р4= 1 544 509 : 2222,5 = 685 кг, или 6,8 кг/дал.

Тепло, передаваемое в колонну  с греющим паром через змеевик, Q P  ₄  = Р4 ∙ (i " — i') = 1544509 кДж.

Тепло конденсации спиртовых  паров, отводимое водой, находим, вычитая  из Q G ₄   тепло флегмы и непастеризованного спирта,

Q КОНД ₄  = Q G ₄    — (Q ф  ₄  + Q н.с.) = 1870441 — (437679 + 635) = 1432108 кДж.

При температуре воды на выходе из дефлегматора колонны 75°  С и начальной температуре 20°  С расход воды составляет      

W4 = Qк / [t в.к. — t в.н.)] ∙ С = 1432108 / [(75 — 20)] ∙ 4,19 = 6214 кг, или 0,06 м3/дал.  

 

Сивушная колонна. В колонну вводится тепло с сивушным спиртом  Q _с.с., с конденсатом паров сивушного масла Q с.м., с лютерной водой для внутриколонной обработки сивушного масла Q _л.в, с флегмой Qф5 , с греющим паром Q_р5 ; отводится тепло из колонны со спиртовыми парами в дефлегматор Q _G 5 , с сивушным концентратом Q _с.к., с лютерной водой Q  _Л 2 , с потерями в окружающую среду Qп₅.

Теплопотери принимаем  равными 5% от количества тепла, выводимого из колонны.

Количество   тепла,   вводимое   в   колонну   с   сивушным   спиртом, Q _с.с = 4994 кДж.

Температуру дистиллята паров  сивушного масла принимаем равной 50° С. При данной температуре и крепости 42,43% мас. теплоемкость дистиллята составляет 4,15 кДж/(кг∙К).