3. Ректифікаційна очистка спирту, її наукові основи, апаратурне оформлення та вплив на якість і собівартість продукції
Розділення на компоненти бінарної суміші спирт — вода, засноване на відмінностях їх леткостей, називають простою перегонкою. Найпоширенішим та найефективнішим процесом виділення спирту із бражки і його подальшого концентрування є ректифікація.
Суть ректифікації полягає у багатократних двосторонніх масо — та теплообмінах між протилежно спрямованими зустрічними потоками паро — рідинних сумішей компонентів з різною леткістю. Процес проводять у ректифікаційних колонах, обладнаних контактними пристроями у вигляді ситових, ковпачкових чи клапанних тарілок для максимального зближення і переміщування зустрічних парових та рідинних потоків з метою інтенсифікації тепло- та масообмінів між ними.
Внаслідок взаємодії фаз при ректифікації відбуваються протилежно спрямовані дифузійні переноси більш леткого компонента із рідинної фази в парову, а менш леткого у зворотному напрямі — із парової в рідинну. При кипінні більш леткий компонент переходить у парову фазу в більшій кількості, ніж менш леткий. Ректифікація, по суті, є складним процесом багатократної перегонки, що дозволяє за допомогою ректифікаційної колони найбільш повно та дешево розділити багатокомпонентні рідинні суміші на окремі компоненти чи їх фракції.
Мета очищення етанолу— виділення із нього супутніх летких домішок і отримання спирту належної міцності. Важливо одночасно з очищенням спирту максимально сконцентрувати домішки для їх використання як BMP. Наприклад, із сивушних масел виділяють вищі спирти — ізоаміловий, ізобутиловий, пропіловий — і естери для фармпрепаратів на їх основі.
Лише поєднавши чіткі уявлення про криву рівноваги бінарної системи етанол — вода при нормальному тиску, склад азеотропної суміші на ній та деякі можливості його зміни з розумінням суті коефіцієнтів випаровування та ректифікації домішок, можна усвідомити суть, причини і можливості розділення компонентів спиртової бражки, очищення спирту — сирцю та концентрування домішок з метою їх використання як BMP.
Азеотропна точка А— точка нероздільного кипіння і шляхом будь-якої кратності перегонки-конденсації азеотропної суміші неможливо змінити Π склад, тобто розділити на компоненти. Для нормального тиску азеотроп системи етанол — вода містить 95,57 мас. % (97,2 об. %) спирту при температурі кипіння 78,15 °С. За цих же умов температуро кипіння чистого етанолу та води складає 78,3 °С та 100 °С відповідно. При зростанні вмісту етанолу в суміші від нуля до азеотропної точки А парова фаза збагачується спиртом, значить шляхом багатократного випаровування — конденсації бражки чи спирту-сирцю можна отримати лише спиртово-водну суміш з максимальним вмістом етанолу 97,2 об. %, що відповідає складу азеотропу. Між точками А (азеотроп) та Б (абсолютний спирт) крива у=f/(х) розташована нижче діагоналі (рис. 4). Отже, ректифікаційною перегонкою при звичайному тиску неможливо отримати спиртово-водну суміш із вмістом більше 97,2 об. % етанолу і, звичайно, абсолютний (безводний) спирт. Це можна зробити лише ректифікацією при тиску, нижчому ніж 0,009 МПа.
Рис. 4. Крива рівноваги системи етиловий спирт – вода при нормальному тиску: y,x – концентрація спирту в парі та в рідині відповідно
Коефіцієнт випаровування суміші Κ дорівнює відношенню його концентрацій у паровій та рідинних фазах відповідно. Наприклад, згідно з рис. 4 для етилового спирту Ке.с = у/х, де x та у — вміст спирту у рідинній та паровій фазах відповідно. При коливаннях складу рідинної фази він змінюється в широких межах: при малих вмістах спирту в суміші величина Ке.с максимальна (≈ 13), при великих — мінімальна (≈ 1). В азеотропній точці Ке.с = 1.
Для будь-яких домішок, як і для етанолу, теж можна визначити коефіцієнт випаровування за аналогічною формулою: Кдом. = α/β, де а та β — вміст домішки у рідинний та паровій фазах відповідно.
Для аналізу можливості очищення етанолу від певної домішки треба порівняти коефіцієнти випаровування домішки і спирту. Це роблять, розраховуючи величину коефіцієнту ректифікації К' домішки за формулою:
К' = Кдом./Ке.с = βx/αу
x та у — вміст етанолу в рідині і парах відповідно; α та β — вміст домішки в рідині і парах відповідно.
Число летких домішок, що разом з етанолом входять до спиртової бражки, перевищує 70, серед яких надійно ідентифіковано більше 50. Їх загальний вміст, на щастя, не великий: менше 0,5 % від вмісту етанолу. Найпоширенішими серед них ε спирти, альдегіди, естери. В меншій кількості присутні деякі азот- та сірковміщуючі сполуки: аміак, аміни, сірководень, сульфокислоти.
Склад і вміст летких домішок залежить від сировини та технології її переробки. Домішки частково переходять із сировини, води, допоміжних матеріалів, живильних середовищ, але основна їх кількість утворюється при бродінні. Найбільша кількість (0,35—0,45 % від вмісту етанолу) домішок належить до спиртів: метилового, пропилового, ізобутилового, ізоамілового. Три останніх є побічними продуктами спиртового бродіння і складають основу сивушних масел, їх кількість сягає 0,3—0,35 % від вмісту етанолу. Метанол утворюється в зерно — картопляних бражках (менше 0,13 % від вмісту етанолу).
Летких кислот (оцтової, масляної, пропіонової, валеріанової) міститься в межах 0,005—0,1 % від етанолу. Серед альдегідів, вміст яких зростає при аерації сусла, переважає оцтовий. Найбільше альдегідів у мелясній бражці (0,85 % від етанолу), що в 10—50 разів більше, ніж у зерно-картопляній.
Значна кількість ефірів (0,05 % від етанолу) утворюється при бродінні шляхом взаємодії спиртів та кислот (оцтово-етиловий, мурашино-етиловий, оцтово-метиловий). Величина коефіцієнта ректифікації К' є ключовою для визначення того, як змінюється в парах спирту вміст домішки порівняно з її вмістом у бражці чи спирті-сирці, так і для розуміння особливостей поведінки домішок при ректифікації. Коефіцієнти випаровування та ректифікації визначаються вмістом спирту у водних розчинах. Невеликий (< 0,5 % від кількості етанолу) вміст домішок у спирті-сирці дозволяє допустити, що леткість окремих домішок залежить головним чином від вмісту спирту, а не інших домішок.
Всі відомі домішки по леткості Циганкова П. С. поділяє на головні, проміжні, хвостові та кінцеві (табл. 2).
Такі відмінності у величинах леткості та коефіцієнтів ректифікації приводять до накопичення (концентрування, локалізації) домішок у різних частинах повної ректифікаційної колони: головних — вгорі, хвостових — внизу, а проміжних близько до середини (див. табл. 2).
Леткість кінцевих (метанол) домішок змінюється із вмістом етанолу протилежним, порівняно з проміжними домішками, чином: при високих концентраціях спирту Κ > 1, а при низьких — Κ < 1. Тому, на відміну від проміжних, кінцеві домішки не накопичуються в середній частині колони, а залежно від вмісту етанолу в суміші переміщаються вгору, як головна домішка, або вниз, як хвостова.
Таблиця 2
Виділення, концентрування та очищення різних видів спиртової продукції здійснюється на брагоректифікаційних установках різних типів, які дозволяють виконувати наступні технологічні операції:
виділяти спирт із водно-спиртових сумішей різного складу;
концентрувати виділений спирт;
виділяти із водно-спиртових сумішей окремі домішки;
концентрувати домішки.
За технологічними функціями та призначеннями ректифікаційні установки спиртовиробництва поділяють на сирцеві, ректифікаційні та брагоректифікаційні. Перші використовують для виділення із бражки спирту-сирцю, який, крім етанолу, містить всі леткі домішки. На ректифікаційних установках спирт-сирець очищають і виробляють ректифікаційний спирт. У брагоректифікаційних установах поєднані технологічні операції сирцевих та ректифікаційних апаратів. Ці установки дозволяють отримати ректифікаційний спирт безпосередньо із бражки.
Одна із найпоширеніших (триколонна) технологічних схем показана на рис. 5. Ця брагоректифікаційна установка складається із трьох колон: бражної 1, епюраційної 3, ректифікаційної 6. Схема працює так. Зріла бражка із бродильного відділення насосом перекачується в конденсатор для підігрівання, далі підігріта бражка поступає зверху в бражну колону 1, в яку знизу подають пар для нагрівання. Пар піднімається вгору назустріч бражці, що стікає вниз, і поступово відбирає в неї спирт та інші леткі компоненти, збагачуючись ними. Пройшовши колону, пар надходить в конденсатор 2, де конденсується у спиртово-водну суміш, віддаючи тепло бражці. Отриманий спиртово-водний конденсат, що містить всі леткі компоненти бражки, подається в епюраційну колону 3, в якій із конденсату видаляються головні домішки. Вони частково конденсуються в дефлегматорі 4 і повертаються в колону 3. Інша, збагачена головними леткими домішками, частина пари із дефлегматора надходить в конденсатор 5, звідки відбирається як конденсована фракція головних летких домішок. Отримана після видалення головних домішок спиртово-водна суміш середньої міцності (епюрат) із епюраційної колони З подається у ректифікаційну колону 6, де розділяється на спирт-ректифікат та сивушні масла, які містять домішки і лютер. Спирт-ректифікат, який відбирається із верхніх тарілок колони 3, після конденсації в холодильнику 8 поступає на зберігання. Сивушні масла відбирають із середньої зони ректифікаційної колони 6. Вони складаються переважно із пропилового та більш високо-молекулярних спиртів, домішок та лютера. Останній складається, в основному, з води та деякої, незначної, кількості етанолу.
У таких брагоректифікаційних установках отримують спирт-ректифікат з 96,2—96,5 об. % етанолу, сивушні масла (хвостові домішки) та головні домішки. Відходами ректифікаційної перегонки браги є барда та лютерна вода. Сивушні масла можна використовувати як BMP для подальшої переробки.
Управління роботою брагоректифікаційних установок, як правило, автоматизоване.
Спирт-сирець є основним напівпродуктом ректифікації бражки. При виділенні етанолу із бражки разом із ним виділяється більшість супутних летких домішок.
Спирт-сирець — це етанол у суміші з леткими домішками(ефіри, альдегіди та ін. спирти), виділений із бражки шляхом ректифікації. У відповідності із стандартом (ГОСТ 131-67) він повинен містити > 88 об. % етанолу та менше 5 г сивушних масел на 1 л безводного спирту. Спирт-сирець використовують для технічних цілей або для переробки на ректифікований спирт.