УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕКТИФИКАЦИИ БИОЭТАНОЛА

Полезная модель относится к области оборудования для разделения жидких органических смесей, в частности к очистке и обезвоживанию этилового спирта биотопливного назначения - биоэтанола, и может быть также использовано, например, при получении спирта для нужд электронной, медицинской парфюмерно-косметической промышленности и т.п.
В соответствии с нормативными документами (ГОСТ Р 53200-2008), содержание этилового спирта в биоэтаноле должно быть не менее 92% об., массовое содержание воды, метилового спирта и смол не должно превышать 1%, 0,5% и 5 мг/л, соответственно, а кислотность должна быть не более 56 мг/л (в пересчете на уксусную кислоту). Данные требования накладывают жесткие требования на технические характеристики оборудования по перегонке и ректификации этанола. Наиболее распространенным методом промышленного производства биоэтанола является перегонка продуктов спиртового брожения органической массы, содержащей сахара, которая заключается в испарении жидкости с последующим охлаждением и конденсацией паров. Потребительские качества биоэтанола, полученного перегонкой, в значительной мере определяются характеристиками оборудования, в частности тем, в какой мере конструкция и условия работы ректификационной колонны могут обеспечить разделение фракций, различающихся по температуре кипения. При этом желательно исключить возможность термического разложения высокомолекулярных компонентов в кубе-испарителе с образованием побочных продуктов, имеющих точку кипения, близкую к точке кипения целевого продукта.
Одним из методов решения этих проблем является вакуумная перегонка, которая происходит при более низкой температуре в испарителе, что исключает интенсивное разложение и окисление компонентов. При этом, за счет нелинейной зависимости температуры кипения от давления, точки кипения различных фракций находятся на более значительных расстояниях друг от друга по температурной шкале.
Известна установка для получения спирта, включающая испарительный куб и ректификационную колонну (патент РФ №2195486, МПК C12G 3/12, B01D 3/32, опубл. 27.12.2002). В известной установке отсутствует система регулирования уровня спиртосодержащей жидкости, из-за чего зона конденсации спирта, по мере испарения жидкости, может сместиться относительно точки отбора целевого продукта, и это приведет к попаданию в него примесей, имеющих близкие точки конденсации. Кроме того, в такой установке необходимо поддерживать достаточно высокую температуру (выше температуры кипения целевого продукта) исходной жидкости ввиду того, что процесс производится при атмосферном давлении. При этом происходит разложение высокомолекулярных компонентов исходной жидкости с образованием веществ, кипящих при температуре, близкой к температуре кипения целевого продукта.
Наиболее близким к предлагаемой модели является устройство вакуумной перегонки жидких органических смесей, включающие исходную емкость, ректификационную колонну, вакуумный насос и приемную емкость целевого продукта (WO 96/05900). Недостатком устройства является отсутствие системы контроля и регулирования давления в ректификационной колонне, из-за чего точки кипения компонентов могут изменяться со временем, и зона конденсации целевого продукта может перемещаться вдоль колонны и не всегда находиться в точке его отбора в приемную емкость. Вследствие этого в целевой продукт и могут попасть примеси, имеющие близкие точки конденсации.
Задачей предлагаемой модели является увеличение выхода и повышение чистоты целевой фракции перегонки при небольших габаритах куба-испарителя и высоты ректификационной колонны путем стабилизации уровня жидкости в испарительном кубе и положения зоны конденсации целевого продукта в ректификационной колонне.
В результате использования предлагаемого изобретения увеличивается выход и повышается чистота биоэтанола, при этом уменьшаются габариты и материалоемкость комплекса оборудования устройства.
Технический результат достигается тем, что предлагаемое устройство для ректификации биоэтанола содержит куб-испаритель, ректификационную колонну, вакуумный насос, расходную емкость, соединенную посредством трубопровода с кубом-испарителем через гидронасос, магистраль отбора целевой фракции перегонки, состоящую из последовательно соединенных посредством трубопровода управляемой заслонки и приемной емкости целевой фракции, магистраль отбора низкокипящей фракции перегонки, состоящую из последовательно соединенных посредством трубопровода управляемой заслонки и приемной емкости низкокипящей фракции, блока управления гидронасоса, соединенного сигнальным кабелем с датчиком уровня и кабелем управления с гидронасосом, ПИД регулятор положения заслонок, соединенный сигнальным кабелем с датчиком давления, установленным в ректификационной колонне, и кабелями управления с управляемыми заслонками обеих магистралей, при этом входы магистралей целевого продукта и низкокипящей фракции присоединены к ректификационной колонне в ее средней и верхней части, соответственно, а выходы обеих магистралей - ко входу вакуумного насоса.
Устройство содержит систему регулирования уровня многокомпонентной смеси в кубе-испарителе и систему регулирования давления в ректификационной колонне, что обеспечивает стабильное положение зоны конденсации целевой фракции в точке присоединения магистрали ее отбора в приемную емкость.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена общая схема предлагаемой полезной модели.
Устройство для ректификации биоэтанола включает в себя куб-испаритель 1, с датчиком уровня 2, ректификационную колонну 3 с установленным в ней датчиком давления 4, расходную емкость 5, соединенную посредством трубопровода 14 с кубом-испарителем 1 через гидронасос 6, магистраль отбора целевой фракции перегонки, состоящую из последовательно соединенных посредством трубопровода 15 управляемой заслонки 11 и приемной емкости 9, магистраль отбора низкокипящей фракции, состоящую из последовательно соединенных посредством трубопровода 16 управляемой заслонки 12 и приемной емкости 10, блока управления гидронасоса 7, соединенного сигнальным кабелем 17 с датчиком уровня 2 и кабелем управления 19 - с гидронасосом 6, ПИД регулятор положения заслонок 13, соединенный сигнальным кабелем 18 с датчиком давления 4, кабелем цепи управления 20 - с управляемой заслонкой 11 магистрали отбора целевой фракции, и кабелем цепи управления 21 - с управляемой заслонкой 12 магистрали отбора низкокипящей фракции. Приемные емкости целевой 9 и низкокипящей 10 фракций соединены, соответственно, трубопроводами 15 и 16 с вакуумным насосом 8.
Принцип работы устройства рассмотрим на примере дистилляции этанола биотопливного назначения. Перед началом процесса в расходную емкость 5 заливают спиртосодержащую жидкость, после чего включают гидронасос 6, чтобы заполнить жидкостью куб-испаритель 1. При достижении рабочего уровня в кубе датчик уровня 2 подает по кабелю 17 сигнал в блок управления 7, откуда по кабелю 19 в гидронасос поступает сигнал выключения гидронасоса. После этого осуществляется автоматическое регулирование уровня спиртосодержащей жидкости в кубе испарителе. Далее включают вакуумный насос 8. При этом сигнал с датчика давления 4 по кабелю 18 поступает в ПИД регулятор положения заслонок 13, откуда по кабелям 20 и 21 на заслонки 11 и 12, соответственно, идут сигналы управления, которые автоматически устанавливают положение заслонок таким образом, чтобы в ректификационной колонне 3 поддерживалось постоянное установленное программно рабочее значение разряжения (в диапазоне 50…400 Торр с точностью ±0,05 Торр). Это позволяет точно контролировать положение зоны конденсации целевой и низкокипящей фракций в ректификационной колонне и, за счет этого, чистоту конденсируемого этанола. Затем запускают процедуру перегонки, которая происходит за счет нагрева спиртосодержащей жидкости в кубе-испарителе с последующей конденсацией паров различных компонентов спиртосодержащей жидкости на разных уровнях в ректификационной колонне. В процессе перегонки конденсированный целевой продукт (этанол) перекачивают в герметичную приемную емкость 9, а головные примеси, образующие низкокипящую фракцию, такие как эфиры (этилацетат, этилформиат и т.п.), альдегиды (в частности, уксусный), летучие кислоты и др. направляют в герметичную приемную 10 за счет разряжения, создаваемого вакуумным насосом 8. Полученный таким образом этанол соответствует требованиям ГОСТ Р 53200-2008 и не последующей абсолютизации.