УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ СПИРТА Российский патент 2003 года по МПК B01D3/14 

Изобретение относится к спиртовой промышленности, преимущественно производящей этиловые ректификационные спирты, используемые, например, при производстве крепких напитков, а также может быть использовано на химических и нефтехимических предприятиях, производящих синтетические спирты - продукты крекинга нефти.

Известно устройство для получения спирта (см. книгу Стабников В.П., Харин С. Е. "Теоретические основы перегонки и ректификации спирта", Пищепромиздат, 1951 г.), классический вариант (схема прилагается), которое содержит эпюрационную колонну, ректификационную колонну, колонну окончательной очистки, теплообменную аппаратуру, барометрический конденсатор, выносные кипятильники, вакуумный насос.

Недостатком известного устройства является наличие громоздких колонн и сопутствующего оборудования, эксплуатируемых, как правило, неэффективно и неэкономично. Спирт как конечный продукт имеет высокое содержание примесей с низкими физико-химическими и органолептическими показателями.

Прототипом предложенного устройства является известная технологическая схема (устройство), реализованная и описанная в патенте RU 2126286 МПК 6 В 01 D 3/14. Устройство для получения спирта включает эпюрационную колонну, ректификационную колонну, колонну окончательной очистки, теплообменную аппаратуру, выносные кипятильники, вакуумный насос. Известное устройство представляет собой классический вариант технологической схемы действующих спиртовых заводов отечественных и зарубежных. Технология получения спирта посредством устройства включает эпюрацию спирта-сырца в эпюрационной колонне с получением эпюрата и фракций с примесями, ректификацию эпюрата в ректификационной колонне, отбор ректификационного спирта в два потока из двух зон: из верхней - с 65-й - 67-й тарелок и из нижней 55-й - 57-й тарелок. При этом нижний поток выводят из ректификационной колонны и направляют в сборник готовой продукции, а верхний поток направляют на доочистку от метанола в колонну окончательной очистки, работающую в режиме эпюрации. После окончательной очистки верхнего потока его подают в сборник готового продукта и перемешивают с нижним потоком.

К недостаткам известного устройства следует отнести следующие:
1. Известная установка является крупногабаритной с неэффективным использованием составляющего оборудования - малопроизводительного, экономически неэффективного;
2. Использование дефлегматоров больших габаритов не позволяет концентрировано разделять промежуточные фракции, так как в них труднее удерживать фиксированные режимы охлаждения конкретных химических продуктов;
3. Движение пароспиртовой смеси из колонн в дефлегматоры и конденсаторы происходит по зигзагообразной траектории;
4. Трубопроводы, обуславливающие зигзагообразную траекторию движения пароспиртовой смеси, заведомо выполнены с заниженным диаметром, заложенным в конструкцию, запирающим часть объема проходящей пароспиртовой смеси в единицу времени, что в свою очередь является одной из причин уноса жидкой фазы с тарелок и, как следствие, снижает производительность колонн;
5. Неэффективная система охлаждения: вода проходит последовательно через все конденсаторы и дефлегматор. При прохождении каждого последующего конденсатора происходит неуправляемое и скачкообразное повышение температуры охлаждающей воды, что приводит к ухудшению процесса конденсации в каждом теплообменнике, неустойчивой работе и уменьшению производительности теплообменника;
6. Отсутствие в известной схеме барометрического конденсатора либо неэффективная его работа, которая обусловлена нерациональной системой охлаждения, не позволяет получить высококачественный продукт с низким содержанием головных примесей. Как правило, на эксплуатируемых установках барометрический конденсатор, хотя и присутствует, но не задействован в процессе ректификации. Вследствие этого происходит вынужденный возврат некачественной флегмы, состоящей преимущественно из головных примесей (метанол, эфиры, СО₂ и альдегиды) в колонну;
7. Низкая степень очистки спирта, выходящего из ректификационной колонны, обуславливает установку дополнительной колонны окончательной очистки;
8. Заниженный диаметр трубопроводов, соединяющих конденсаторы, приводит к нарушению плавного режима циркуляции и отбора пассивированного спирта.

К основному недостатку следует отнести устаревший вариант конструкции питания флегмой колонн, который вновь смешивает промежуточные фракции, выделяемые из дефлегматоров и конденсаторов (теплообменной аппаратуры) и в смешанном потоке отправляет их на верхнюю тарелку колонн. Такая циркуляция не позволяет ускорить процесс, а также получить качественный целевой продукт.

Известная конструкция обуславливает потери хвостовых фракций в колоннах, которые при уносе их в верхнюю часть колонн попадают в дефлегматоры и конденсаторы. После конденсации они смешиваются и вновь возвращаются в верхнюю часть колонн в виде флегмы, поэтому подача их в нижнюю часть колонн в зону отбора данного химического продукта крайне затруднена из-за длительного пути прохождения через все тарелки в колоннах и повторного нагрева, отрицательно влияющего на конденсацию этих хвостовых фракций.

Задачей предлагаемого изобретения является создание компактного высокопроизводительного устройства с принципиально новой технологией получения высококачественных спиртов, а также усовершенствование действующих конструкций и технологий, позволяющих обеспечить реконструкцию этих установок, повысить выход и качество целевого продукта путем обеспечения степени разделения промежуточных фракций за счет применения принципиально новой системы охлаждения, упрощения конструкции устройства и повышения его производительности, а также расширить область применения предлагаемого устройства для получения синтетических спиртов - продуктов крекинга нефти.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для получения спирта, включающем эпюрационную колонну, ректификационную колонну, теплообменники, барометрический конденсатор, вакуумный насос (общие с прототипом признаки), теплообменники смонтированы в виде обеспечивающих прохождение пароспиртовой смеси по восходящему пути ряда каскадов для разделения головных фракций эпюрационной колонны, для дополнительной очистки спирта ректификационной колонны и для отбора и выделения спирта из сивушной фракции ректификационной колонны, каждый теплообменник снабжен индивидуальной линией охлаждения и индивидуальным отводом химических фракций на соответствующую фракционную тарелку колонны, стыкующие элементы теплообменников выполнены в виде плоских труб, при этом площадь поперечного сечения плоской трубы на входе теплообменника определяют по формуле

где S_n - площадь поперечного сечения плоской трубы на входе соответствующего теплообменника, м²;
V_т.об.n-1 - объем предыдущего теплообменника, м³;
V_фл.n-1 - объем отводимей флегмы из предыдущего теплообменника, м³;
L_n - длина плоского трубопровода соответствующего теплообменника, м;
n - порядковый номер соответствующего теплообменника.

Монтаж теплообменников в виде обеспечивающих прохождение пароспиртовой смеси по восходящему пути ряда каскадов для разделения головных фракций эпюрационной колонны, для дополнительной очистки спирта ректификационной колонны и для отбора и выделения спирта из сивушной фракции ректификационной колонны позволил исключить из классических схем ректификации спирта, в том числе по прототипу, дорогостоящее оборудование: дефлегматоры и конденсаторы, колонну окончательной очистки, разгонную и сивушную колонны. Это позволило упростить известные технологии и схемы ректификации и разгонки.

Выполнение принципиально новой конструкции теплообменника и снабжение каждого теплообменника в каскадах индивидуальной линией охлаждения и индивидуальным отводом химических фракций на соответствующую фракционную тарелку колонн либо в емкость готовой продукции позволяет:
- каскадно расположить фильтры, облегчая естественное прохождение пароспиртовой смеси по восходящему пути, что способствует более качественному разделению химических фракций без дополнительных энергозатрат и обеспечивает поставленную цель: повышение производительности установки;
- обеспечить более качественно процессы разгонки, ректификации и конденсации в каждом тепловом фильтре соответственно составу промежуточных примесей и температуре охлаждения за счет поддержания индивидуального режима конденсации соответственного химического продукта. При этом малый объем каждого теплообменника позволяет качественно выделять, осаждать и разделять промежуточные фракции на отдельные и отводить готовый продукт.

Использование плоских труб и расположение их в качестве стыкующих элементов каскадных тепловых фильтров обеспечивает сокращение пути прохождения пароспиртовой смеси. При этом происходит эффективное заполнение полезного объема теплообменника, что в свою очередь косвенно предопределяет каскадное расположение теплообменников и облегчает естественное прохождение пароспиртовой смеси по восходящему пути. Это способствует более качественному разделению химических фракций без дополнительных энергозатрат и обеспечивает поставленную цель: повышение производительности установки. Расчетные характеристики плоских соединительных труб связаны математической моделью, обеспечивающей функциональную зависимость площади сечения выходящего патрубка от объема фильтра, объема отводимой флегмы из этого теплообменника и от длины плоского трубопровода:

где S_n - площадь поперечного сечения плоской трубы на входе соответствующего теплообменника, м²;
V_т.об.n-1 - объем предыдущего теплообменника, м³;
V_фл.n-1 - объем отводимей флегмы из предыдущего теплообменника, м³;
L_n - длина плоского трубопровода соответствующего теплообменника, м;
n - порядковый номер соответствующего теплообменника.

Размеры длин плоских соединительных труб обусловлены объемами конденсации, а также монтажными требованиями.

Функциональная зависимость размера сечения выходящего патрубка обуславливает идеальное прохождение пароспиртовой смеси по всей площади поперечного сечения плоской трубы без создания в теплообменнике запорных пробок.

Использование барометрического конденсатора в заявляемом устройстве обеспечивает его эффективную работу благодаря применяемому каскаду теплообменников.

Наличие дополнительного каскада теплообменников по отбору и разгону сивушного масла решает без использования дополнительного оборудования (сивушной колонны) проблему извлечения спирта и сивушного масла.

Предлагаемая конструкция устройства иллюстрирует вариант применения новой технологии получения спирта с эффективной реализацией основного классического закона ректификации спирта (законов Вревского).

Сопоставительный анализ заявленного технического решения с прототипом показывает, что вышеуказанные признаки отсутствуют у прототипа и известных решений из уровня техники. Это дает основание констатировать, что заявленное техническое решение соответствует критерию "новизна". Проведенный международный поиск позволил сделать вывод, что заявленные признаки не совпадают с признаками известных технических решений, дающих возможность достичь тот же технический результат, т.е. предложенное техническое решение соответствует критериям изобретения "изобретательский уровень" и "технический результат".

Предложенное техническое решение поясняется чертежом, где показана развернутая технологическая схема получения спиртов.

Устройство для получения спирта включает эпюрационную колонну 1, ректификационную колонну 2, каскад теплообменников 3-7 (условно изображено 5 штук) эпюрационной колонны 1, каскад теплообменников 8-13 (условно изображено 6 штук) ректификационной колонны 2, каскад теплообменников 14-16 (условно изображено 3 штуки) для отбора сивушных фракций из ректификационной колонны 2, индивидуальные линии 17 (линии трубопроводов) охлаждения с водяными коллекторами 18, линии 19 индивидуального отвода химических фракций в колонны 1 и 2, линии 20 индивидуального отвода химических фракций в емкости готовой продукции, плоские трубы 21, соединяющие между собой теплообменники 3-16, барометрический конденсатор 22, вакуумный насос 23, кипятильники 24, 25 соответствующих колонн 1 и 2. Из-за загромождения чертежа не изображены и не обозначены позициями: емкости готовой продукции, градирня (на чертеже обозначен поток "на охлаждение"), сборники конденсата пара и лютера. Сокращенное обозначение ЭАФ (эфироальдегидная фракция) является конечным продуктом, который отводится в емкость готовой продукции.

Устройство работает следующим образом.

Спирт-сырец направляют на 20 тарелку питания эпюрационной колонны 1. Выделенные в колонне 1 в процессе эпюризации головные примеси (эфиры, альдегиды, метанол, СО₂ и пр.) концентрируются в верхней части колонны 1 и поступают в каскад теплообменников 3-7, через соединительные элементы - плоские трубы 21. В каждом теплообменнике 3, 4, 5, 6, 7 происходит доразделение спирта от головных фракций, которые конденсируются в них в виде флегмы и возвращаются по линиям трубопроводов 19 в эпюрационную колонну 1 целенаправленно в зону, соответствующую химическому составу этой флегмы. При этом, если во флегме отсутствует фракция спирта, ее отводят по линиям трубопроводов 20 в сборник готовой продукции, например ЭАФ (эфироальдегидная фракция) из теплообменника 7. Оставшиеся невыделенные в тепловом фильтре 7 головные фракции (преимущественно СО₂ и примеси метанола) поступают в барометрический конденсатор 22. В последнем осуществляется конденсация этих компонентов и вывод из процесса ректификации при помощи вакуумного насоса 23.

Эпюрат из нижней части колонны 1 поступает на 16 тарелку питания ректификационной колонны 2. В колонне 2 происходят отгонка, концентрирование спирта, доочистка его от компонентов головных примесей, а также пастеризация. Дополнительная очистка в каскаде теплообменников 8, 9, 10, 11, 12, 13 и барометрическом конденсаторе 22, а также возврат флегмы по линиям трубопроводов 19 в ректификационную колонну 2, отвод флегмы (без фракции спирта) по линиям трубопроводов 20 в сборник готовой продукции, в том числе отвод ЭАФ из теплообменника 13, осуществляется аналогично процессам в каскаде теплообменников 3-7 эпюрационной колонны 1.

В нижней части колонны 2 выделяются хвостовые фракции (сивушные масла), в которых присутствует от 3 до 6% спирта. Выделение спирта из сивушных масел, очистка от легких фракций (CO₂ и метанола) осуществляется в каскаде теплообменников 14, 15, 16 аналогично очистке в каскаде 8-13 и барометрическом конденсаторе 22. Полученный сивушный спирт по линиям трубопроводов 19 возвращают на доочистку в ректификационную колонну 2 целенаправленно в зону, соответствующую химическому составу.

Сконцентрированные хвостовые продукты (сивушное масло, лютерная вода) в качестве готовых продуктов отводятся по линиям трубопроводов 20 в соответствующие емкости готовой продукции. Обогрев колонн осуществляется через выносные кипятильники 24, 25.

Охлаждение каскадов теплообменников 3-16, барометрического конденсатора 22 осуществляется из водяных коллекторов 18 по индивидуальным линиям трубопроводов 17, а отвод отработанной охлаждающей воды для дальнейшей циркуляции - посредством трубопроводов 17 "на охлаждение" в градирню. Получение спирта осуществляют под разрежением 50 кПа. Разрежение в системе создается насосом 23.

Использование предлагаемого устройства, предназначенного, как показали маркетинговые исследования, для создания и реконструкции действующих отечественных и зарубежных установок по производству спирта, позволило создать устройство с принципиально новой конструкцией и технологией получения спиртов путем исключения дорогостоящего и неэффективного оборудования, являющееся объектом ноу-хау новой технологии, защищенной авторским правом ПА 2269 от 17.09.1999 года; получить конкурентную, экологически чистую продукцию с высокими качественными показателями и низкой себестоимостью, изготовленную в соответствии с мировыми стандартами.

Изобретение относится к производству спирта. Устройство содержит эпюрационную колонну, ректификационную колонну, теплообменники, барометрический конденсатор, вакуумный насос. Теплообменники смонтированы в виде обеспечивающих прохождение пароспиртовой смеси по восходящему пути ряда каскадов: для разделения головных фракций эпюрационной колонны, для дополнительной очистки спирта ректификационной колонны и для отбора и выделения спирта из сивушной фракции ректификационной колонны. Каждый теплообменник снабжен индивидуальной линией охлаждения и индивидуальным отводом химических фракций на соответствующую фракционную тарелку колонны. Стыкующие элементы теплообменников выполнены в виде плоских труб, при этом площадь поперечного сечения плоской трубы на входе теплообменника определяют по формуле S_n= (V_т.об.n-1-V_фл.n-1)ln, где Sn - площадь поперечного сечения плоской трубы на входе соответствующего теплообменника, м²; V_т.об.п-1 - объем предыдущего теплообменника, м³; V_фл.n-1 - объем отводимой флегмы из предыдущего теплообменника, м³; L_n - длина плоского трубопровода соответствующего теплообменника, м; n - порядковый номер соответствующего теплообменника. Изобретение позволит повысить качество конечного продукта. 1 ил.

Устройство для получения спирта, содержащее эпюрационную колонну, ректификационную колонну, теплообменники, барометрический конденсатор, вакуумный насос, отличающееся тем, что теплообменники смонтированы в виде обеспечивающих прохождение пароспиртовой смеси по восходящему пути ряда каскадов: для разделения головных фракций эпюрационной колонны, для дополнительной очистки спирта ректификационной колонны и для отбора и выделения спирта из сивушной фракции ректификационной колонны, каждый теплообменник снабжен индивидуальной линией охлаждения и индивидуальным отводом химических фракций на соответствующую фракционную тарелку колонны, стыкующие элементы теплообменников выполнены в виде плоских труб, при этом площадь поперечного сечения плоской трубы на входе теплообменника определяют по формуле

где Sn - площадь поперечного сечения плоской трубы на входе соответствующего теплообменника, м²;
V_т.об.n-1 - объем предыдущего теплообменника, м³;
V_фл.n-1 - объем отводимой флегмы из предыдущего теплообменника, м³;
L_n - длина плоского трубопровода соответствующего теплообменника, м;
n - порядковый номер соответствующего теплообменника.