ОТХВ (курс лекцій)2012

Колона для добування рідкого низькокиплячого компонента (рис. 39, в) має у верхній частині випарник-конденсатор, з нижчим тиском ніж у колоні, який охолоджують водою чи окремою холодильною машиною. Утворена пара (R) відводиться з колони. Флегма у верхній частині колони складається переважно з низькокиплячого компонента і частково відводиться з колони (А).

Частіше застосовують подвійні колони (рис. 40)

Рис. 40. Подвійна тарільчаста ректифікаційна колона а – загальний вигляд; б – тарілка колони; в – тепломасообмін у паровій бульбашці:

1 – куб; 2 – корпус; 3 – подавання суміші; 4 – відведення парової фази; 5 – конденсатор; 6 – підведення рідкого холодоагенту; 7 – відведення пари

холодоагенту; 8 – тарілка; 9 – переливний пристрій; 10 – змійовик-випарник; 11 – відведення кубової рідини; 12 – пороги висотою 50...60 мм

Ректифікація дає змогу досягти майже повного розділення суміші – до кінцевого продукту переходить 96...98 % компонента, що міститься у суміші. Проте абсолютно чисті продукти отримати неможливо – для цього потрібні нескінченно великі площа контакту фаз або коефіцієнт масообміну.

121

12.3.Схеми сирцевих ректифікаційних установок

Успиртовій промисловості використовують різноманітні ректифікаційні установки, залежно від призначення.

а б

Рис. 41. Одноколонна (а) та двоколонна (б) ректифікаційні установки спиртового виробництва

А – спиртова колона; Б – бражна колона; В – відгінна (лютерна) колона; Д – дефлегматор; Л – піновловлювач; Х –холодильник;

1 – підведення бражки; 2 – відведення барди; 3 – підведення пари; 4 – відведення спирту-сирцю; 5 – відведення лютерної води (флегма без спирту).

Одноколонна сирцева установка (рис. 41, а) має одну колону, що складається з двох частин – спиртової А та бражної Б. Бражка, нагріваючись у дефлегматорі Д, надходить до верхньої частини бражної колони. Стікаючи по колоні, бражка контактує з парою, що подається до нижньої частини бражної колони. Спирт випаровується до складу пари, вода з пари конденсується. Барда (бражка, з якої випарувався спирт) відводиться через гідрозатвор з нижньої частини бражної колони, а пара переходить до спиртової колони, де ще більше зміцнюється і виходить до дефлегматора Д. У дефлегматорі з пари конденсується насамперед вода і повертається до спиртової колони, а пара спирту конденсується у холодильнику Х і відводиться з установки (спирт-сирець).

До складу двоколонної установки (рис. 41, б) входить окрема бражна колона а спиртова розділена на спиртову та лютерну частини. Підігріта в дефлегматорі Д бражка йде у бражну колону Б, де з неї випаровується спирт. Водно-спиртова пара міцністю 40...50 % об. з бражної колони йде до середньої частини спиртової колони А. Пара, піднімючись по зміцнювальній частині спиртової колони А, зміцнюється за рахунок випаровування спирту з флегми. В нижній (відгінній)

122

частині спиртової колони В пара, що подається знизу, випаровує з флегми залишки спирту. Пара зі спиртової колони, очистившись від флегми у дефлегматорі та сконденсувавшись у холодильнику, відводиться з установки (спирт-сирець).

Лютерну воду після доочищення використовують для приготування замісу, миття картоплі, живлення парогенераторів. На передових спиртзаводах теплоту лютерної води (100...106 ºС) та барди (100...105 ºС) використовують для нагрівання бражки. Використовуючи теплові насоси можна догріти бражку до кипіння лише за рахунок теплоти барди. Охолоджену післяспиртову барду висушують і використовують для виробництва комбікормів.

12.4. Ректифікація спирту-сирцю

Спирт-сирець перед ректифікацією обробляють гідроксидом натрію (NаОН), карбонатом натрію (Nа2СО3) і перманганатом калію (КМnО4). Внаслідок омилення кислот зменшується кількість летких домішок і полегшується ректифікація.

Ректифікацію спирту проводять у кубовому ректифікаційному апараті (рис.

42)

Рис. 42. Кубовий ректифікаційний апарат 1 – куб; 2 – трубчасті нагрівачі; 3 – колона (30...60 ситчастих тарілок);

4 – кожухотрубний дефлегматор; 5 – холодильник; 6 – сортувальний ліхтар

Під час періодичної ректифікації куб 1 заповнюють бражкою і підігрівають її парою через підігрівники 2. Водно-спиртова пара ректифікується на тарілках колони 3. Залишки водяної пари конденсуються у дефлегматорі 4 і повертаються у колону. Спиртова пара конденсується у холодильнику 5. Якість продукту перевіряється у ліхтарі 6, продукт сортується. Недоліками цього способу є мала продуктивність, велика витрата нагрівної пари, менша чистота головних домішок, які надалі можуть бути використані.

123

Ректифікаційна установка безперервної дії (рис. 43) складається з двох колон – епюраційної 1 та ректифікаційної 2, у яких етанол поступово очищують від різних домішок, залежно від їх температури кипіння. Для вловлення та очищення головних домішок встановлені окремі апарати.

Рис. 43. Ректифікаційна установка безперервної дії 1 – епюраційна колона (ЕК), складається з альдегідної (а) та виварної (б) частин;

2 – ректифікаційна колона (РК), складається з концентраційної (а) та виварної (б) частин; 3 – дефлегматор ЕК; 4 – конденсатор ЕК; 5 – дефлегматор РК;

6 – конденсатор РК; 7 – холодильник головних продуктів; 8 – ліхтар головних продуктів; 9 – холодильник ректифікату; 10 – ліхтар ректифікату;

11, 13 – конденсатори сивушного масла і сивушного спирту; 12 – масловіддільник

Завдання епюраційної колони – виділення головних домішок, ректифікаційної – виділення з епюрату етилового спирту, концентрованого сивушного масла і води.

124

Спирт-сирець, розведений водою до міцності 50...70 %об. подають до середньої частини епюраційної колони. На тарілках нижньої частини епюраційної колони з спирту-сирцю потоком нагрівної пари випарюються головні домішки, потім вони концентруються на тарілках верхньої частини і конденсуються (головна фракція). Залишок спирту (епюрат) подають до ректифікаційної колони.

У нижній частині ректифікаційної колони випарюють етанол зі стікаючої флегми, а у верхній – концентрують етанол до заданої міцності, позбавляючи від хвостових домішок (води, оцтової кислоти та ін.). У середній частині ректифікаційної колони накопичується сивушна фракція – сивушні масла та спирти, що містять досить багато етанолу.

Для відділення етанолу сивушну фракцію після холодильника подають у екстрактор, де етанол розчиняється у воді, а сивушні масла – ні. Отриману водноспиртову флегму повертають до ректифікаційної колони, а очищені сивушні масла відводять. як готовий продукт.

Мінімальна концентрація головних та хвостових домішок у ректифікаційній колоні спостерігається на 6...12-ій тарілках, рахуючи згори, тому звідти відбирають ректифікований спирт з рідкої фази. На тарілках, що лежать нижче, зростає концентрація домішок.

Всі колони ректифікаційних установок зазвичай обладнані ковпачковими тарілками, встановленими на відстані 170 мм одна від іншої. В епюраційній колоні встановлюють 39...70 тарілок, у т.ч. 20...52 у відгінній частині, у ректифікаційній 66...74, у т.ч. 16...18 у відгінній частині.

На ректифікаційних установках безперервної дії вихід ректифікованого спирту становить 92...97%, ефіро-альдегідної фракції 1,5...5%, сивушного масла 0,3...0,35%, сивушного спирту 0,5...2%, втрати спирту при ректифікації становлять 0,4...0,8% від введеного в установку спирту-сирцю.

12.5. Зберігання спирту

Спирт зберігають у металевих резервуарах, встановлених у приміщенні чи на відкритому повітрі. Під час зберігання спостерігаються втрати спирту як у рідкому стані (витікання через нещільності, несправну арматуру, під час розливання) так і у пароподібному стані за рахунок високої леткості. Для зменшення втрат спирту слід:

-герметизувати резервуари, стежити за справністю арматури у спиртосховищі та на підприємстві;

-заповнювати резервуари повністю, бо втрати від випаровування зростають пропорційно об’єму газового простору;

-підтримувати сталі температури у резервуарі, охолоджувати резервуари у теплу пору року;

-вловлювати пари спирту, що виходять з резервуарів, за допомогою спиртовловлювачів.

125

Запитання для самоперевірки

1.Які леткі домішки є у бражці? Що таке головні та хвостові домішки?

2.Яку суміш називають зеотропною? Який компонент суміші називають низькокиплячим?

3.Опишіть періодичну просту дистиляцію? Які недоліки цього способу?

4.Що таке ректифікація? Опишіть принцип дії вичерпної та зміцнювальної колон. У чому перевага подвійної колони?

5.Які установки використовують для отримання спирту-сирцю? Що таке барда? Як її використовують?

6.Опишіть принцип дії ректифікаційної установки безперервної дії. Які колони входять до її складу?

7.Як зберігають спирт? Які втрати спостерігаються під час зберігання? Як можна їх зменшити?

126

13. ТЕХНОЛОГІЯ ЦУКРИСТИХ РЕЧОВИН. ДОБУВАННЯ БУРЯКОВОГО СОКУ.

13.1. Цукрова промисловість України

Цукрова галузь, що об’єднує виробництво цукру-піску і цукру рафінаду, є однією з найбільших у харчовій промисловості України – і з огляду на історію (понад 160 років), і з огляду на обсяги виробництва та енергоспоживання.

У сезоні 2011 року в Україні працювало 77 цукрозаводів. Перероблено 17,365 млн. т буряків вироблено 2,057 млн. т. цукру (1,4% від світового виробництва за 2011 рік).

Основу виробничої потужності становлять заводи невеликої потужності із застарілим обладнанням. Це призводить до низької ефективності виробництва порівняно з європейською цукровою промисловістю, у тому числі до високих питомих енерговитрат. Так у 2010/2011 маркетинговому році Франція, де працювали 25 заводів виробила 4, 257 млн т бурякового цукру, а Німеччина (20 заводів) – 3,442 млн. т.

Особливостями цукрової галузі з точки зору енергоспоживання є:

1)сезонність роботи (сезон цукроваріння триває 30…100 діб);

2)цілодобова робота, причому впродовж сезону можливі зупинки, небажані, бо потребують повторного пуску з непродуктивними витратами сировини та енергії;

3)висока потреба у тепловій та електричній енергії, що порівняно мало коливається впродовж доби та сезону цукроваріння;

4)різноманітність теплоносіїв та їх параметрів у схемі теплопостачання заводу: водяна пара різних тисків, конденсати, гаряча вода, гаряче повітря, димові гази та ін.;

5)велика кількість вторинних енергоресурсів (випарена пара, конденсати, гаряча вода, димові гази тощо), які можуть бути використані і значною мірою використовуються.

6)розвинена та ефективна теплотехнологічна схема (порівняно з іншими галузями), що пояснюється великим теплоспоживанням, довгою історією галузі та сезонністю роботи, що залишає час для щорічних модернізацій під час ремонту;

7)наявність власних ТЕЦ, що одночасно генерують пару та електроенергію для виробничих потреб, а також для опалення, вентиляції та гарячого водопостачання. У зв’язку з цим ефективність споживання енергоресурсів визначають питомою витратою умовного палива (теплота згоряння 29,3 МДж/кг) на перероблення цукрових буряків (сокодобування) у кг на тону перероблених буряків або у відсотках до маси перероблених буряків. Розрахунки ведуть до маси буряків, а не до виробленого цукру, бо вихід цукру з буряків різної якості (насамперед різної цукристості) може істотно коливатися, тоді як витрата палива змінюється значно менше.

127

13.2. Склад і властивості цукру

Цукор складається з сахарози, води та інших сполук – нецукрів. Вміст сахарози в цукрі-піску складає 99,75%, а в цукрі-рафінаді – не менше 99,9%. Вміст води – до 0,1%.

Сахароза (С12Н22О11) – дисахарид, що складається з молекул глюкози і фруктози (рис. 44). Під дією ферменту інвертази або кислоти у водному розчині сахароза піддається гідролізу з утворенням глюкози і фруктози (інвертного цукру).

Рис. 44. Схема молекули сахарози

Сахароза добре засвоюється організмом людини, завдяки чому сприяє швидкому відновленню енергії, яка була витрачена організмом, але занадто велике вживання сахарози призводить до перенакопичення у крові глюкози і викликає ожиріння. Фізіологічна норма вживання сахарози складає 100 г на добу, включно з цукрами, що містяться в інших продуктах.

13.3. Сировина для вироблення цукру

Основною сировиною для цукрового виробництва у світі є цукрова тростина, що містить 18...21% сахарози. Вона в основному росте у тропічних широтах (Бразилія, Куба, Індія, Китай та ін). Нестача палива та допоміжних матеріалів змушує ці країни виробляти та експортувати неочищений цукорсирець. Україна імпортує цукор-сирець для завантаження виробничих потужностей цукрозаводів у міжсезонний період.

Основною сировиною для виробництва цукру в Україні є цукровий буряк – дворічна засухостійка рослина родини маревих. Тому надалі розглядатиметься насамперед бурякоцукрове виробництво. Для виробництва цукру використовують коренеплоди першого року розвитку. Маса коренеплоду складає в середньому 200...500 г. Хімічний склад коренеплоду цукрового буряку залежить від якості насіння та кліматичних умов вирощування буряку. В середньому в коренеплоді цукрового буряку міститься близько 75% води і 25% сухих речовин. Вміст сахарози в буряку (цукристість) може коливатися від 15 до 22% (в середньому

17,5%).

128

З 75 кг води, що містяться в 100 кг буряку, близько 2 кг міцно утримується колоїдами, а близько 73 кг є розчинником для 17,5 кг сахарози і 2,5 кг розчинних нецукрів соку.

Важливим показником є чистота, або доброякісність соку, Ч – відношення вмісту (у %) сахарози до сухої речовини буряку. Наприклад, якщо у 93 кг соку міститься 17,5% сахарози і 2,5% нецукрів, то в 100 кг соку буде міститись 18,82 кг сахарози і 2,69 кг нецукрів, і чистота соку буде дорівнювати 87,5%.

Ч =	Cx	×100%	(25)
	CP

Буряки збирають у серпні-жовтні, і зберігають у кагатах на кагатних полях протягом сезону переробки, що триває 50...100 діб залежно від кількості сировини та продуктивності заводу. Кагати обприскують вапном, щоб зменшити нагрівання буряків сонцем та їх псування від мікроорганізмів.

13.4. Підготовка сировини

Буряк, що надходить на переробку, містить 5...15% домішок у вигляді гички, піску, каміння, землі. Відділенню домішок на заводах приділяється значна увага, бо вони, потрапляючи до обладнання, погіршують роботу бурякорізок, зменшують якість дифузійного соку і призводять до різкого збільшення втрат цукру.

Відділення домішок починається на гідротранспортерах, за допомогою яких буряк подається з кагатів на переробку. Гідротранспортери обладнані вловлювачами різної конструкції для видалення піску, каміння і гички. Після надходження на переробку буряк відмивають на бурякомийках різного типу від налиплих часток землі.

Буряк піднімають у верхнє відділення заводу на висоту до 20 м, щоб забезпечити його гравітаційний спуск на автоматичні ваги і бурякорізки. З цією метою використовують вертикальні елеватори.

Для зважування буряку використовують автоматичні ковшові ваги.

Цукор з цукрового буряку виділяють дифузійним методом. Для цього буряк подрібнюють на стружку жолобчатої чи пластинчатої форми. Товщина бурякової стружки становить 0,5...1 мм, ширина смужки стружки становить 3...6 мм.

Якість стружки має вирішальний вплив на роботу дифузійної установки і оцінюється показниками:

-число Сіліна – довжина 100 г стружки (норма 9...15 м)

-шведський фактор – відношення маси стружки довжиною більше 5 см до маси стружки довжиною менше 1 см (норма не нижче 8)

-вміст браку у стружці (до 3%).

Найпоширеніші відцентрові бурякорізки з нерухомими 12 або 16 рамами з ножами. Буряк надходить до ротора бурякорізки, що обертається, відцентровою

129

силою притискається до ножів і ріжеться. Бурякорізки продувають парою від часток стружки. Отримана бурякова стружка стрічковим конвеєром подається у дифузійне відділення для одержання соку.

13.5.Одержання дифузійного соку

Упроцесі дифузії з бурякової стружки потрібно виділити максимально

можливу кількість сахарози. Для цього сахарозу вимивають зі стружки гарячою водою у дифузійних установках безперервної дії (рис. 45).

Рис. 45. Принципова схема дифузійної установки безперервної дії .

В цукровому виробництві дифузійний процес є складним комплексом трьох видів дифузії. На початку відбувається дифузія цукру з розірваних при розрізуванні буряку в стружку клітин (вільна дифузія), потім починається проникнення води у клітковий сік (осмос) і після нагрівання стружки до 60ºС і денатурації протоплазми починається основний процес виділення цукру з вакуолей клітин буряку до дифузійного соку (діаліз).

Процес одержання дифузійного соку має ряд обмежень. Здавалося б, якщо збільшити витрату води на дифузійну установку, то зі стружки вимиється більше сахарози. Але відбір соку (відношення витрати соку до витрати стружки) становить 110...125 % залежно від якості буряків та типу дифузійної установки. За більшого відбору значно збільшується витрата води на знецукрювання стружки,

130