СПОСОБ ПОДГОТОВКИ ВОДЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭТИЛОВОГО СПИРТА Российский патент 2003 года по МПК C02F9/04 C02F9/04 C02F5/00 C02F1/44 C02F103/04 

Изобретение относится к промышленному производству этилового спирта и может быть использовано и в других отраслях, где требуется технологическое применение особо чистой воды.

В производстве этилового спирта вода применяется главным образом на охлаждение оборудования и технологические цели: для приготовления полуфабрикатов, входит в состав готовой продукции, реализуемых отходов производства, например барды.

Объем потребляемой на эти цели воды, ее химический состав, температура, загрязненность примесями оказывают сильное влияние на эффективность теплообменных и биохимических процессов спиртового производства и в конечном счете на себестоимость и качество готовой продукции, финансово-хозяйственные результаты работы предприятия.

По этим причинам на спиртовых заводах применяют различные способы подготовки воды для охлаждения оборудования и технологических нужд, организации повторного использования отепленной воды с целью уменьшения объема забора природной воды и образующихся стоков.

Так, известен способ организации оборотной системы охлаждающей воды, при котором использованная для охлаждения или отепления природная вода направляется в охладительный и очистительные отсеки, после чего она вновь используется для охлаждения. Подпитка оборотной системы осуществляется природной водой (1).

Основным недостатком данного способа является то, что он не включает в себя подготовку воды для технологических целей. Кроме того, подпитка циркуляционного контура природной не очищенной водой приводит к загрязнению охлаждающих поверхностей постоянно привносимыми взвесями и солями жесткости, что увеличивает расход охлаждающей воды, эксплуатационные затраты на очистку оборудования.

Известен также способ подготовки воды для охлаждения оборудования и технологических целей, заключающийся в заборе воды из естественных источников, с последующими очисткой ее от взвесей на песчаных фильтрах, умягчением ионообменным или содово-известковым методом. Подготовленную таким образом воду используют для охлаждения оборудования и на технологию. Отепленную воду сбрасывают в стоки сразу или после очистки в очистных сооружениях (2).

Недостатками этого способа являются большой объем забираемой воды из естественного источника и, как следствие, большой расход химреагентов на ее обработку, образование значительного количества стоков, приводящих к существенному экологическому ущербу. Для обработки стоков требуются специальные дорогостоящие очистные сооружения и высокие эксплуатационные затраты при высокой температуре воды в источнике водозабора, в летнее время спиртзаводы не работают, что приводит к упущенной выгоде.

Наиболее близким по технической сущности, решаемой задаче и достигаемому результату к заявленному способу является способ, заключающийся в заборе воды из источников, ее очистке от взвесей на песчаных фильтрах, умягчении с последующим охлаждением в градирне и хранением подготовленной воды в емкости-сборнике градирни, откуда она подается на технологические цели и охлаждение (сразу или после дополнительного охлаждения в холодильно-компрессорной установке). Отепленную воду направляют в пруд-охладитель, откуда сливают в естественный водоем (3). Данный способ выбран в качестве прототипа.

Использование в прототипе градирни и холодильно-компрессорной установки обеспечивает постоянную работу предприятия независимо от температуры воды в источнике водозабора. В холодное время года градирня и холодильно-компрессорная установка могут не использоваться.

Однако и этот способ не лишен недостатков. Он не обеспечивает очистку воды от тонких взвесей, коллоидов, микроорганизмов, ионов хлоридов, сульфатов, поливалентных металлов, которые негативно влияют на замес. Поэтому использование такой воды на технологические цели загрязняет полуфабрикаты, приводит к образованию многих побочных продуктов. Сезонные колебания в химическом составе воды в источнике водозабора сильно осложняют управление технологическим процессом.

Подготовленная для охлаждения природная вода имеет рН, близкий к нейтральному значению, что вызывает сильную коррозию теплообменного оборудования, приводит к увеличению эксплуатационных затрат. Кроме того, сохраняется большой объем потребления воды из природного источника, химреагентов на ее обработку, образование значительного количества стоков.

Все это снижает качество готовой продукции, увеличивает ее себестоимость, наносит ущерб окружающей среде.

Решить задачу по устранению указанных выше недостатков стало возможным за счет разработки нового оригинального способа подготовки воды для технологических целей и охлаждения, организации повторного использования отепленной воды.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении стабильного, оптимального состава и качества воды для технологии и охлаждения оборудования, уменьшении объемов потребления воды из источников, снижении количества образующихся стоков за счет организации повторного использования отепленной воды, что позволит повысить качество готовой продукции, уменьшить эксплуатационные расходы, экологический ущерб и, как следствие, снизить себестоимость спирта.

Это достигается тем, что забираемую из источников воду фильтруют от взвесей, умягчают и подают на технологическое потребление и ступенчатое охлаждение с последующим направлением в теплообменную аппаратуру и отводом из нее отепленной воды, при этом предназначенную для технологического потребления воду дополнительно очищают обратным осмосом или нанофильтрацией с получением фильтрата, который используют на технологические цели, и концентрата, который смешивают с умягченной водой, подаваемой на ступенчатое охлаждение, а полученную отепленную воду по замкнутому циклу снова направляют на ступенчатое охлаждение и в теплообменную аппаратуру. Часть отепленной воды после теплообменников целесообразно использовать для подпитки котельной, что снижает расход топлива на получение пара. Охлажденную воду перед направлением в теплообменное оборудование следует подщелачивать до рН 8-9 с целью уменьшения коррозии оборудования.

Высокие и стабильные качественные показатели технологической воды обеспечиваются очисткой воды обратным осмосом или нанофилътрацией, что позволяет удалять из воды вредные для брожения загрязнения: коллоиды, органические примеси, микроорганизмы, ионы хлоридов, сульфатов, многовалентных и тяжелых металлов, а также нивелировать влияние на производство сезонных колебаний состава воды в источнике водозабора.

Организация циркуляционных контуров с повторным использованием отепленной воды и концентрата с установки обратного осмоса или нанофильтрации уменьшает объемы потребляемой воды из источника и образующих стоков.

Сравнение существенных признаков заявленного способа с прототипом позволяет установить соответствие его критерию изобретения "новизна".

Сущность предлагаемого способа также не является очевидной, поскольку введение в отличительную часть формулы изобретения новых действий, таких как направление умягченной воды на очистку обратным осмосом или нанофильтрацией с получением фильтрата и концентрата, которые затем используют на технологию и для охлаждения, возврат отепленной воды на повторное использование, подщелачивание охлаждающей воды, представляют собой неизвестную совокупность признаков с получением нового технического результата и дополнительного положительного эффекта в виде экономии потребляемой воды, уменьшения объемов стоков, снижения эксплуатационных расходов, себестоимости готовой продукции, повышения качества спирта.

Промышленная применимость способа не вызывает сомнения, поскольку основные операции реализуются с помощью известного оборудования.

Способ подготовки воды для производства этилового спирта и организации повторного использования отепленной воды осуществляют с помощью комплекта оборудования, схема применения которого изображена на чертеже.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

Воду из источника забирают насосом 1 и подают на механический фильтр 2, где очищают от взвесей, затем умягчают на установке 3, после чего воду разделяют на два потока. Первый доочищают обратным осмосом или нанофильтрацией на установке 4. Образующийся фильтрат используют на технологическое потребление (замес и т.п. цели), а концентрат смешивают со вторым потоком умягченной воды и направляют в градирню 5. Из накопительной емкости градирни 5 воду забирают насосом 6, дополнительно охлаждают до температуры 8-12^oС в холодильно-компрессорной установке 7. Для уменьшения коррозионных процессов охлажденную воду подщелачивают до рН 8-9 с помощью установки 8. Затем воду используют для охлаждения холодильника спирта брагоректификационной установки, бродильного чана, теплообменника, дрожжанок и другого оборудования 9. Выходящую из них отработанную отепленную воду частично целесообразно использовать для подпитки котельной, а остальную часть возвращают в градирню 5, после чего повторно используют по указанной выше схеме.

Пример 1.

Вода из артезианской скважины со следующими показателями:
Общее солесодержание (TDS), мг/л - 590
Общая жесткость, мг-экв/л - 6,1
Общая щелочность, мг-экв/л - 3,3
Общее железо, мг/л - 0,7
Натрий, мг/л - 33
Марганец, мг/л - Не обнаруж.

Хлориды, мг/л - 37
Сульфаты, мг/л - 140
Нитраты, нитриты (суммарно), мг/л - 12
Кремниевая кислота, мг/л - 12
Перманганатная окисляемость, мгО₂/л - 1,7
рН - 7,1
Мутность, мг/л - 3
подвергалась очистке на лабораторном макете механического фильтра, загруженного кварцевым песком и гидроантрацитом фракционного состава 0,7÷1,2 мм и 0,8÷1,6 мм соответственно. В фильтрованной воде содержание взвесей уменьшалось до 0,8 мг/л или в 3,5 раза. Далее отфильтрованную воду подвергали умягчению, пропуская через лабораторные фильтрованные колонки, загруженные катионитом КУ-2-84С в натриевой форме. Умягченная вода имела общую жесткость 0,1 мг-экв/л, затем умягченную воду подвергали обессоливанию методом обратного осмоса на лабораторной установке, с применением обратноосмотических мембран СРА2-2521 с селективностью 99% производства фирмы "Hydranautics" (США).

Полученная обессоленная вода (фильтрат) имела следующие показатели:
Общее солесодержание (TDS), мг/л - 6,3
Общая жесткость, мг-экв/л - 0
Общая щелочность, мг-экв/л - 0,1
Общее железо, мг/л - 0,05
Натрий, мг/л - 1,8
Марганец, мг/л - Не обнаруж.

Хлориды, мг/л - 0,3
Сульфаты, мг/л - 0,3
Нитраты, нитриты (суммарно), мг/л - 0,6
Кремниевая кислота, мг/л - 0,1
Перманганатная окисляемость, мгО₂/л - 0,3
рН - 5,3
Эту обессоленную воду использовали на замес (технологическое потребление) с последующим получением бражки - опытный вариант.

В контрольном варианте бражку приготавливали на полученной ранее умягченной воде с общей жесткостью 0.1 мг-экв/л.

Полученную бражку перегоняли на спирт на лабораторной установке. В результате содержание примесей в конечном продукте уменьшалось в опытном варианте в сравнении с контрольным на 15-25%.

При обессоливании умягченной воды методом обратного осмоса получался концентрат с жесткостью 0,15 мг-экв/л, который смешивали в накопительной емкости с ранее умягченной водой в соотношении 1:1. Смешанную воду охлаждали на лабораторной холодильной установке до 8-12^oС. После этого ее подщелачивали до рН 8,5 и направляли на специально сконструированный из стали 12Х18Н10Т теплообменный аппарат (для моделирования процесса теплообмена в оборудовании спиртового производства, таком как дрожжанка, бродильный чан и т.п.). Из этого аппарата отепленная вода выходила с температурой 50-60^oС.

Часть (35÷40%) отепленной воды отводилась (имитируя потребление в котельную), а оставшуюся часть (60÷65%) возвращали в накопительную емкость, куда также добавляли подпиточную умягченную воду в соотношении 1:1. За время проведения испытаний в режим циркуляции (720 ч непрерывной работы) на теплообменных поверхностях аппарата не обнаружено видимых загрязнений, отложений накипи и следов коррозии.

Пример 2.

Способ осуществляют, как в примере 1, только вместо обессоливания методом обратного осмоса применяют обессоливание методом нанофильтрации на мембранах ESNA-1-2521 производства фирмы "Hydranautics" с селективностью 80%.

Полученные результаты аналогичны результатам, указанным в примере 1.

Таким образом, заявляемый способ позволяет повысить качество готовой продукции, уменьшить потребление воды из природных источников и объемы образующихся стоков, снизить эксплуатационные расходы и в конечном счете себестоимость спирта.

Источники информации
1. Заявка Великобритании 94048683, Е 03 В 3/001 "Водосберегающая оборотная система" опубликована в бюллетене Роспатента "Изобретения стран мира", выпуск 059, МПК, ЕО3, 10, 1996 г., с.5.

2. В.В.Ильинич, Б.А. Устинников, И.И. Бурачевский и др. Технология спирта и спиртопродуктов. М.: ВО "Агропромиздат", 1987 г., с.45-47, 55-56, с. 184-189, 195-205, 222-230.

3. Л. А. Лихтенберг. Производство спирта из зерна. Обеспечение завода водой и вспомогательными материалами. Пищевая промышленность 10, 1997 г., с. 70-78 (прототип).

Изобретение относится к промышленному производству этилового спирта и может быть использовано и в других отраслях, где требуется технологическое применение особо чистой воды. Забираемую из источников воду фильтруют от взвесей, умягчают и подают на технологическое потребление и ступенчатое охлаждение с последующим направлением в теплообменную аппаратуру и отводом из нее отепленной воды. Предназначенную для технологического потребления воду дополнительно очищают обратным осмосом или нанофильтрацией с получением фильтрата, который используют в технологических целях, и концентрата, который смешивают с умягченной водой, подаваемой на ступенчатое охлаждение. Полученную отепленную воду по замкнутому циклу снова направляют на ступенчатое охлаждение и в теплообменную аппаратуру. Охлажденную воду перед направлением в теплообменное оборудование подщелачивают до рН 8-9. Технический результат - обеспечение стабильного оптимального состава и качества воды для технологии и охлаждения оборудования, уменьшение объемов потребления воды из источников, снижение количества образующихся стоков за счет организации повторного использования отепленной воды, что позволит повысить качество готовой продукции, уменьшить эксплуатационные расходы, экологический ущерб и, как следствие, снизить себестоимость спирта. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ подготовки воды для производства этилового спирта, включающий забор воды из источников водоснабжения, фильтрование от взвесей, умягчение, подачу на технологическое потребление и ступенчатое охлаждение с последующим направлением в теплообменную аппаратуру и отводом из нее отепленной воды, отличающийся тем, что предназначенную для технологического потребления воду дополнительно очищают обратным осмосом или нанофильтрацией с получением фильтрата для технологического потребления и концентрата, который смешивают с умягченной водой, подаваемой на охлаждение, при этом отепленную воду по замкнутому циклу снова направляют на ступенчатое охлаждение и в теплообменную аппаратуру оборудования. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что охлажденную воду подщелачивают до рН 8-9.