1.7 Розрахунок допоміжних матеріалів

Допоміжними матеріалами, які використовуються в брагоректифікаційному відділенні є миючі та дезинфікуючі препарати – хлорне вапно, монохлорамін технічний, каморан.

Витрати антисептиків на 100, 6000 та 125 дал, які застосовуються у бродильній промисловості, зазначені в табл.1.9.

Таблиця 1.9 – Витрати антисептиків на 100, 6000 та 125 дал

Назва антисептика	Витрата на 100 дал спирту	Витрата на 6000 дал спирту	Витрата на 125 дал спирту
Хлорне вапно Монохлорамін технічний Каморан	2,5 3,3 0,03	150 198 1,8	3,12 4,12 0,375

1.8 Розрахунок і підбір обладнання

Бражна колона

Розрахунок колони починається з визначення флегмового числа υ:

υ = Ф / D,

де, Ф – кількість флегми, що повертається із дефлегматора в колону за певний час, кг;

D – кількість дистиляту, отриманого за певний час, кг.

υ = 17,9 / 18,8 = 1,0,

Знаходимо мінімальне флегмове число υмін :

υмін = ХD – YO / YO – XO,

де, ХD – вміст спирту в сирці, % мол;

XO – вміст спирту в рідині, що кипить на тарілці живлення;

YO – вміст спирту в парах, рівноважних з цією рідиною, % мол.

Υ = 33,6 – 31,47 / 31,47 – 5,07 = 0,08,

При концентрації спирту в бражці 10,63 % мас., температура її кипіння при нормальному тиску tкип = 91,3 °C Для доведення 100 кг бражки до кипіння необхідно затратити тепла, кДж:

Q = (tкип – tбр) × Сбр × 100,

де tкип – температура кипіння бражки, °C;

tбр – температура з якою бражка надходить в колону, °C

Сбр – теплоємність бражки, що визначається за формулою Г.М. Знаменського:

Сбр = 4,187 × (1,019 – 0,0095 × В),

де В – вміст СР в бражці, % мас.

Сбр = 4,187 × (1,019 – 0,0095 × 10,63) = 3,87 кДж / (кг × К),

Q = (91,3 – 70) × 3,87 × 100 = 8243,1 кДж.

За графіком знаходимо концентрацію етанола на тарілці живлення, вона складає 12 % мас (5,07 % мол), а температура її кипіння 90,5 °C. Водно-спиртові пари, що виділяються на тарілці живлення мають концентрацію етанолу 55,8 % мас (33,06 % мол). Кількість водно-спиртових парів G, що виходить з бражної колони, на 100 кг бражки (з урахуванням 0,2 % втрат – 99,8 кг) визначаємо за формулою:

G = 99,8 × Хбр / У,

де Хбр і У – вміст етанолу в бражці і парах, що надходять на перегонку, які виходять із колони, % мас.

G = 99,8 × 10 / 55,8 = 17,9 кг.

Коефіцієнт надлишку пари складає β = 1,05, тоді дійсна кількість водно-спиртових парів складає:

Gд = G × β,

Gд = 17,9 × 1,05 = 18,8 кг.

Звідси дійсна концентрація спирту в бражному дистиляті становить:

Уд = 10 × 99,8 / 18,8 = 53,6 % мас (31,47 % мол).

Складаємо рівняння матеріального балансу бражної колони (на 100 кг бражки):

100 + Р = 18,8 + R;

звідки R = 81,2 + Р,

де Р – кількість пари, що надходить в колону визначаємо з теплового балансу, кг;

R – кількість барди, кг.

Тепловий баланс бражної колони наведено в табл. 1.10

Таблиця 1.10 – Тепловий баланс бражної колони

Продукт	Маса, кг	Ентальпія кДж/кг	Формула для розраху-нку кількості тепла	Всього, кДж
Надходження: бражка	100	279	100×279	27900
Гріюча пара (0,15 МПа)	Р	2680	Р×2680	2680Р
Витрата: водно-спиртові пари із колони	18,8	2010	18,8×2010	37788
Барда	R = 81,2 + Р	420	R×420 = (81,2+Р)×420	34104 + 420Р

Втрати тепла в бражній колоні приймаємо рівним 840 кДж. Складаємо рівняння теплового балансу:

27900 + 2680Р = 37788 + 34104 + 420Р + 840,

звідки Р = 19,8 кг, R = 81,2 + 19,8 = 101 кг.

Для визначення числа тарілок в бражній колоні необхідно скласти рівняння робочої лінії колони:

У = (L / G) (х – хк),

де L – кількість молей в рідині, що стікає по тарілкам нижньої колони;

G – те ж саме, в паровому потоці;

хк – вміст спирту в барді, % мол.

Знаходимо величину парового потоку в молях на 100 кг бражки. Кількість введеного пару складає 19,8 кг. Його молярна маса 18. Так як тиск гріючої пари мало відрізняється від тиску в колоні, то можна прийняти, що кількість молей пару, який піднімається в колоні складає:

19,8 / 18 = 1

де 18 – молярна маса води.

Потік рідини L складається із потоків бражки і конденсату пари, що пішов на нагрівання бражки до кипіння на тарілці живлення, 100 кг бражки складає:

(10 / 52 + 91 / 18) = 5,2 мол.

На нагрівання 100 кг бражки потрібно 8243,1 кДж тепла, що відповідає:

8243,1 / 2260 = 3,6 кг пари

або 3,6 / 18 = 0,2 мол

L = 5,2 + 0,2 = 5,4 мол.

Рівняння робочої лінії колони буде мати наступний вигляд:

У = (5,4 / 1,1) (х – 0,004)

Побудуємо на графіку рівноваги пряму лінію, що відповідає цьому рівнянню і знайдемо число ступенів концентрації між значенням концентрації 0,2 до 31,47 % мол. Число ступенів складає 7,3. На ділянці концентрації від 0,2 до 0,004 побудова потребує великого масштабу. Тому проведемо визначення аналітичним шляхом за формулою Сореля – Харіна:

n = (lg × (1 + 0,2 / 0,004 × (13 × 1,1 / 5,4 – 1)) / lg × (13 × 1,1 / 5,4)) – 1 = 4

Тоді загальне число тарілок складає 14.

Реальне число тарілок буде:

n = nТ / η,

де η – ККД тарілок, що складає 0,5.

n = 14 / 0,5 = 28 тарілок

Отже, колона має 28 сітчастих тарілок з міжтарілковою відстанню 500 мм, що є прийнятним для тарілок такого типу.

За визначеним числом тарілок і прийнятій відстані між тарілками розраховуємо висоту колони. Ця величина залежить від складу рідини, що переганяється, швидкості пари, конструкції тарілок, глибини барбатажного шару.

Визначаємо швидкість пару ω, м/с:

ω = А × ρ^-m

де А і m – коефіцієнти, величина яких залежить від міжтарілкової відстані в колоні, тобто h = 500 мм цій величині відповідає А = 1,14, m = 0,465;

ρ – густина пара, кг/м³.

ω = 1,14 × 1,0^-0,465 = 1 м/с.

Знаючи величину h, можна визначити висоту колони Н:

Н = h × (n – 1) + h1 + h2,

де n – число тарілок колони;

h – відстань між тарілками, мм;

h1 – відстань від верхньої тарілки до кришки колони, мм;

h2 – відстань від основи колони до першої тарілки, мм.

Відстань від верхньої тарілки до кришки колони:

h1 = 2 × h,

h1 = 2 × 500 = 1000 мм

Відстань від основи колони до першої тарілки:

h2 = 3 × h,

h2 = 3 × 500 = 1500 мм

Загальну висоту колони розраховують за формулою:

Н = h × (n – 1) + h1 + h2,

Н = 500 × (28 – 1) + 1000 + 1500 = 16000 мм.

Діаметр колони визначається величиною парового потоку. Об’єм пари, V, що

піднімається в колоні, розраховується за формулою:

V = 22,4 × G × T × Pа / 273 × Р,

де G – кількість пари, що піднімається по колоні, кмоль/с;

Т – абсолютна температура, К;

Pа – атмосферний тиск, Па;

Р – тиск пари в розглянутому перерізі колони, Па;

V = 22,4 × 0,2 × 358 × 76988 / 273 ×160000 = 1,2 м³/с.

Із даного рівняння визначаємо діаметр колони:

D = 4 × V / П × w,

D = 4 × 1,2 / 3,14 × 1 = 1,54 м

Приймаємо діаметр колони за номенклатурою заводу-виробника D = 1600 мм.

Діаметр штуцерів для входу і виходу продукту визначається за формулою за якою вирахували діаметр колони:

Бражної – 0,5-1;

Бардяний – 0,2-0,8;

Спиртових парів із колони – 5-25;

Для гріючого пару (р = 0,15 МПа) – 15-25.

D1 = 4 ×19,6 / 3,14 × 1² = 5,0 м;

D2 = 4 × 19,6 / 3,14 × 0,8² = 6,3 м;

D3 = 4 × 19,6 / 3,14 × 25² = 0,2 м;

D4 = 4 × 19,6 / 3,14 × 25² = 0,2 м.

Бражна колона обгрівається відкритою парою це означає, що діаметр барботера приймають рівним діаметру трубопроводу до якого підводиться пар. Площина паровипускних отворів в барботері:

F = 1,25 × Fo = 1,25 × (П × D² / 4),

де F – площина перерізу трубопроводу.

F = 1,25 × (3,14 × 25² / 4) = 613,2 м².

Загальне число отворів в барботері:

N = 4 × F / П × d²,

Де діаметр отворів барботера 8-10мм

N = 4 × 613,2 / 3,14 × 100 = 7,8 = 8

Теплообмінні апарати бражної колони:

Розраховуємо поверхню теплопередачі підігрівача бражки для БРУ потужністю 6000 дал/добу.

Вміст спирту в бражці 10,63 % об. = 8,02 % мас, температура бражки, що

надходить в підігрівач 28 °С, тип підігрівача – теплообмінник, обігрів

спиртовими парами, що виходять з бражної колони.

Спочатку розраховуємо об’єм бражки:

V = (6000 × 10 × 100) / 8,02 = 748129,67 дм³/добу = 31,17 м³/год

Густину бражки приймаємо ρ = 1000 кг/м³, тоді маса бражки складає:

G = 31,17 × 1000 = 31170 кг/год.

Приймаємо, що бражка нагрівається до 70 °С, тоді вміст спирту на тарілці

живлення складає Хжив = 10,5 % мас. Концентрація спирто-водяного пару буде

Yр= 55,8 % мас. При коефіцієнті надлишку пари β = 1,05 концентрація спирто-

водяного пару, що виходить із колони складає:

Y = 55,8 / 1,05 = 58,59 % мол,

а кількість його

D = (31170 × 8,02) / 58,59 = 4266,93 кг/год

Теплота випаровування спирто-водяного пару при концентрації 58,59 % мас дорівнює r = 1627 кДж/кг.

Теплоємність бражки при вмісті СР В = 10,0 % мас. визначають по формулі:

с = 4,27 – 0,0398 × В,

с = 4,27 – 0,0398 × 10,0 = 3,972 кДж / (кг × К)

Кількість тепла, що відводиться з бражкою:

Q = 31170 × 3,972 × (70 – 28) = 5199904,08 кДж / год.

Попередньо визначаємо кількість водно-спиртового пару, що зконденсувався в бражному підігрівачі:

G = Q / r

G = 5199904,08 / 1627 = 3196 кг / год.

Що складає (3196 × 100) / 4266,93 = 74,9 % від загальної кількості пару, який виходить з бражної колони.

При цій умові температура конденсації спирто-водяного пару буде: початкова тП = 91,8 °С, тК = 86,8 °С.

Концентрація спирту в конденсаті Хк = 9,42 % мол = 21,0 % мас., концентрація спирту в неконденсованому парі Yн = 42,94 % мол. = 65,8 % мас., теплота конденсації зконденсованого пару r1 = 1762 кДж / кг, несконденсованого r2 = 1235 кДж / кг.

Відповідно кількість теплоти, що виділилась при конденсації складає:

Q = 1599,5 × 1762 = 2818319 кДж / год = 782866,4 Вт

і фактична температура бражки на виході із підігрівача складає:

Т = 2818319 / (15600 × 3,972) + 28 = 73,5 °С

Фактична температура бражки нижче кінцевої температури конденсації на 3,5 °С, що може бути приємним при змішуванні руху потоків в кожухотрубному теплообміннику.

Середня різниця температур:

а) при протитоці:

91,8 °С пари 86,8 °С

7 3,5 °С бражки 28 °С

tмін = 18,3 °С; tмакс = 58,8 °С;

t = 58,8 – 18,3 / 2,3 lg × 58,8 / 18,3 = 34,7 °С

б) при прямотоці:

91,8 °С пари 86,8 °С

28 °С бражки 73,5 °С

t_мак = 63,8; t_мін = 13,3;

t = 63,8 – 13,3 / 2,31lg × 63,8 / 13,3 = 32,2 °С;

в) при змішаному потоці:

t = 34,7 + 32,2 / 2 = 33,4 °С.

Приймаємо, що: внутрішній діаметр труб теплообмінника 60 мм, швидкість руху бражки по трубам 0,5 м/с, труби мідні.

Загальний переріз вузла труб теплообмінника:

F = 15,6 / (3600 × 0,5) = 0,00866 м²

Число труб в вузлі:

N = 0,00866 / 3,14 × 0,06² / 4 = 3,06.

Приймаємо до установки 2 труби, тоді фактична швидкість руху бражки по трубам буде:

W = 15,6 / 3600 × 3,14 × 0,06² / 4 × 2 = 0,76 м/с.

Коефіцієнт теплопередачі при W=0,76 м/с складає:

K = 815 × 0,76² = 678,71 Вт / (м²×К).

Поверхня теплопередачі буде рівна:

F = Q / t × K = 782866,4 / (34,7 × 678,71) = 33,2 м²,

а з урахуванням можливого форсування роботи установки розраховану поверхню необхідно збільшити на 20%, тоді F = 39,8м².

Підбір іншого обладнання для брагоректифікаційного відділення проводимо згідно потужності установок 6000 дал/добу.

Спосіб одержання спирту етилового технічного із крохмальної і цукровмісної сировини може бути реалізований на типовому обладнанні, тому основою для розрахунку і підбору обладнання є потужність спиртового підприємства (6000 дал / добу), прийнята апаратурно-технологічна схема, дані розрахунку продуктів та вимоги і рекомендації щодо норм технологічного проектування.

В табл. 1.11 вказана специфікація технологічного обладнання, яке встановлене на заводі по виробництву біоетанолу-сирцю з подальшою його дегідратацією.