Способ непрерывного получения этилового спирта
METHOD FOR CONTINUOUS PRODUCTION OF ETHYL ALCOHOL

Изобретение относится к спиртовой промышленности.
Известен способ непрерывного получения этилового спирта, включающий осуществляемые при пониженном давлении непрерывное сбраживание сусла и непрерывную отгонку водно-спиртовых паров и углекислого газа, образующихся в процессе сбраживания, сжатие указанных водно-спиртовых паров и углекислого газа, конденсацию водно-спиртовых паров, передачу бродящему суслу тепла, выделяющегося в процессе конденсации водно-спиртовых паров, непрерывный отвод сконденсированных водно-спиртовых паров и углекислого газа, разделение сконденсированных водно-спиртовых паров и углекислого газа и непрерывное пополнение сусла по мере отвода сконденсированных водно-спиртовых паров, углекислого газа и барды (RU 2230788 С2, 2001 г. - прототип).
Известно устройство для непрерывного производства спирта, содержащее батарею герметичных емкостей брожения-отгонки с внешним циркуляционным контуром по суслу, вакуум-насос, конденсаторы, размещенные внутри емкостей брожения-отгонки в объеме жидкости, блок разделения сконденсированных водно-спиртовых паров и углекислого газа и сборник образованного конденсата (RU 2230788 С2, 2001 г.).
Способ и устройство позволяют в процессе спиртового брожения непрерывно отводить из сбраживаемого сусла продукты жизнедеятельности дрожжей, а именно спирт и углекислый газ, являющиеся ингибиторами процесса спиртового брожения, в результате чего улучшаются условия сбраживания, следствием чего достигаются эффекты интенсификации процесса спиртового брожения и снижения содержания в барде и спирте нецелевых продуктов брожения и перегонки, повышение кормовой ценности образуемой барды.
Недостатком указанного технического решения является то, что перемещение парогазовой среды к поверхностям конденсации паров и удаление выделяющегося в процессе брожения неконденсирующегося углекислого газа в атмосферу осуществляются одним и тем же газодувным устройством, а именно вакуумным насосом.
Спирт и углекислый газ в процессе брожения образуются в соотношении близком к эквимолярному, поэтому газодувное устройство должно обеспечивать компрессию до атмосферного давления не только всего объема выделяющегося при брожении углекислого газа, но и сопоставимых с ним объемов водяных и спиртовых паров для перемещения их к поверхностям конденсации.
Парциальное давление спиртовых паров в удаляемой парогазовой среде имеет прямую зависимость от концентрации спирта в сусле, которая согласно заявленных целей известного технического решения поддерживается на низком уровне, и от температуры, которая не может превышать температуру, при которой нарушается жизнедеятельность дрожжей в сбраживаемом сусле. Предельно допустимое условиями непрерывного сбраживания парциальное давление спиртовых паров многократно ниже величины атмосферного давления (составляет около 3-5 кПа).
Соотношение объемов, занимаемых парами спирта и углекислым газом в удаляемой парогазовой среде обусловлено условиями их отгонки в процессе непрерывного сбраживания, следовательно, парогазовая среда, находящаяся согласно известному техническому решению внутри батареи герметичных емкостей брожения-отгонки, имеет принципиальное ограничение по максимально допустимому абсолютному давлению, которое близко к предельно допустимому парциальному давлению паров спирта и кратно ниже атмосферного давления.
Чтобы обеспечить необходимую массовую скорость перемещения водно-спиртовых паров и сопоставимого объема углекислого газа, входящих в состав парогазовой среды, сначала к поверхностям конденсации, а затем в атмосферу, газодувное устройство согласно известного технического решения должно обладать высокой объемной производительностью и высокой степенью компрессии. Высокая степень компрессии в совокупности с требуемой высокой объемной производительностью приводит к значительному расходу энергии, связанному с необходимостью удаления большого количества выделяемого в процессе брожения углекислого газа при соблюдении условия поддержания глубокой степени разрежения в герметичных емкостях брожения-отгонки.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в снижении энергетических затрат при непрерывном производстве спирта, а именно в обеспечении возможности проведения одновременно идущих процессов непрерывного сбраживания и удаления спирта, воды и углекислого газа из бродящего сусла при абсолютном давлении в бродильной емкости, кратно превышающем предельно допустимое парциальное давление паров спирта, вплоть до атмосферного давления и выше.
Поставленная задача (технический результат) достигается созданием способа непрерывного получения этилового спирта, включающего непрерывное сбраживание сусла внутри герметичной емкости и непрерывную отгонку водно-спиртовых паров и углекислого газа, образующихся в процессе сбраживания, конденсацию водно-спиртовых паров, передачу бродящему суслу тепла, выделяющегося в процессе конденсации водно-спиртовых паров, разделение и отвод углекислого газа и сконденсированных водно-спиртовых паров, в котором согласно заявляемому изобретению конденсацию водно-спиртовых паров осуществляют внутри герметичной емкости на внешней поверхности испарителя холодильной машины, размещенного внутри атмосферы емкости вне бродящего сусла и/или на иных внутренних поверхностях, имеющих прямой или опосредованный тепловой контакт с испарителем холодильной машины; осуществляют обдув поверхностей конденсации при помощи газодувного устройства, обеспечивающего циркуляцию парогазовой среды по контуру: поверхности конденсации - зеркало бродящего сусла - поверхности конденсации; осуществляют промежуточный сбор сконденсированных водно-спиртовых паров в охлаждаемом сборнике конденсата, размещенном внутри герметичной емкости непосредственно под поверхностями конденсации; передачу бродящему суслу тепла, выделяющегося в процессе конденсации водно-спиртовых паров, осуществляют путем прямого или опосредованного теплового контакта конденсатора холодильной машины с бродящим суслом.
Предпочтительно в герметичной емкости осуществляют пополнение сусла по мере отвода из нее сконденсированных водно-спиртовых паров, углекислого газа и барды, а для обеспечения более полного сбраживания Сахаров непрерывное сбраживание осуществляют в батарее из нескольких герметичных емкостей сбраживания-отгонки, соединенных между собой последовательно по суслу.
В качестве газодувного устройства предпочтительно применяют радиальный или осевой вентилятор, размещенный внутри герметичной емкости над зеркалом бродящего сусла.
Предпочтительно внутри бродильной емкости поддерживают пониженное атмосферное давление. Пониженное атмосферное давление поддерживают при помощи вакуумного насоса, снабженного спиртовой ловушкой.
Поставленная задача (технический результат) достигается тем, что устройство для производства спирта, содержащее одну или несколько герметичных емкостей брожения-отгонки, один или несколько конденсаторов водно-спиртовых паров со сборником образованного конденсата и вакуумную линию, с по крайней мере одним вакуумным насосом, в котором согласно заявляемому изобретению герметичная емкость брожения-отгонки разделена внутренними перегородками на свободно сообщающиеся по газовой фазе зоны, в одной из которых размещен конденсатор водно-спиртовых паров со сборником образованного конденсата, в другой находится бродящее сусло с открытым зеркалом жидкости, в одной из зон расположено газодувное устройство, обеспечивающее циркуляцию разреженной парогазовой среды по контуру: конденсатор водно-спиртовых паров - зеркало бродящего сусла - конденсатор водно-спиртовых паров.
Конденсатор водно-спиртовых паров и сборник образованного конденсата охлаждаются холодильной машиной, конденсатор холодильной машины предпочтительно имеет прямой или опосредованный тепловой контакт с бродящим суслом.
Вакуумный насос предпочтительно снабжен спиртовой ловушкой с сепаратором, удаляющей пары воды и спирта из углекислого газа, откачиваемого из герметичной емкости брожения-отгонки.
В качестве газодувного устройства предпочтительно применен радиальный или осевой вентилятор.
Использование заявленного изобретения позволит получить следующий технический результат.
По сравнению с прототипом, у которого подвод парогазовой среды к охлаждаемым поверхностям конденсатора водно-спиртовых паров осуществляется вакуумным насосом с высоким перепадом давлений между всасывающим и нагнетающим патрубками, для подвода парогазовой среды к конденсатору водно-спиртовых паров (к испарителю холодильной машины) согласно изобретению требуется малый перепад давлений. Вентилятор при невысоких энергетических затратах обеспечивает требуемый перепад и высокую объемную скорость перемещения парогазовой среды, последовательно обдувающей конденсатор водно-спиртовых паров, зеркало бродящего сусла и вновь конденсатор водно-спиртовых паров. Отсутствие между зеркалом жидкости и конденсатором водно-спиртовых паров протяженных трубопроводов, обладающих существенным аэродинамическим сопротивлением, позволяет дополнительно повысить производительность газодувного устройства. Высокая объемная скорость перемещения парогазовой среды к охлаждаемым поверхностям конденсатора водно-спиртовых паров даже при давлении близком к атмосферному позволяет обеспечить высокую скорость испарения и удаления из объема бродящего сусла спирта, являющегося ингибитором процесса спиртового брожения.
Пониженное атмосферное давление внутри герметичной емкости положительно влияет на энергоэффективность работы вентилятора, что снижает капитальные и энергетические затраты, требуемые для обеспечения высокой объемной скорости перемещения парогазовой среды от зеркала жидкости к конденсатору. Работа вентилятора в условиях пониженного атмосферного давления уменьшает загрязнение его рабочих поверхностей вследствие брызгоуноса с поверхности зеркала жидкости, тем самым увеличивается ресурс работы вентилятора. Пониженное атмосферное давление одновременно снижает содержание в бродящем сусле углекислого газа, также являющегося ингибитором процесса спиртового брожения, и поэтому интенсифицирует процесс спиртового брожения. Вместе с тем поддержание внутри герметичной емкости сильно заниженного атмосферного давления требует повышенных энергетических затрат на работу вакуумного насоса. Поэтому целесообразно поддержание оптимального уровня разрежения внутри герметичной емкости в зависимости от интенсивности процесса брожения, а также типа используемых вакуумного насоса и газодувного устройства.
В отличие от прототипа, у которого вакуумный насос компримирует до атмосферного давления углекислый газ с высоким содержанием паров воды и спирта, согласно заявляемому изобретению вакуумный насос компримирует углекислый газ с минимальным остаточным содержанием паров воды и спирта. Предпочтительное рабочее разрежение внутри герметичной емкости также существенно меньше чем у прототипа, что в совокупности определяет существенно меньшие капитальные и энергетические затраты на работу вакуумного насоса и даже с учетом дополнительных энергетических затрат на работу вентилятора означает общий энергетический выигрыш.
Предлагаемый способ поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена функциональная схема устройства для непрерывного получения этилового спирта, реализующего предлагаемый способ, для варианта, в котором конденсатор водно-спиртовых паров и сборник образованного конденсата расположены выше зеркала бродящего сусла.
На фиг. 2 изображена функциональная схема устройства для непрерывного получения этилового спирта, реализующего предлагаемый способ, для варианта, в котором конденсатор водно-спиртовых паров и сборник образованного конденсата расположены ниже зеркала бродящего сусла.
Устройство для получения этилового спирта содержит герметичный корпус 1 (емкость сбраживания-отгонки), разделенный внутренними перегородками на зоны, в одной из которых находится сусло 2, в другой сборник конденсата водно-спиртовых паров 3. Внутри герметичного корпуса также находится испаритель холодильной установки (конденсатор водно-спиртовых паров) 4, конденсатор холодильной установки (нагреватель) 5 и газодувное устройство 6. Устройство содержит расположенные вне герметичного корпуса спиртовую ловушку-сепаратор 7, вакуумный насос 8 и холодильную установку 9.
Реализация способа и работа устройства осуществляется следующим образом.
В сусле 2 в процессе сбраживания происходит непрерывное образование углекислого газа и спирта. Вновь образовавшиеся вещества диффундируют из объема к поверхности зеркала жидкости и переходят в газовую фазу, повышая в ней парциальное давление углекислого газа и паров спирта.
Вентилятор 6 всасывает парогазовую среду, находящуюся над зеркалом жидкости и подает ее в зону испарителя 4 холодильной установки 9, на холодной внешней поверхности которого происходит конденсация части содержащихся в парогазовой среде паров воды и спирта. Сконденсированная жидкость стекает по поверхности испарителя 4 в охлаждаемый сборник конденсата водно-спиртовых паров 3, откуда непрерывно или периодически удаляется за пределы устройства. Охлажденная парогазовая среда с пониженным парциальным давлением паров воды и спирта возвращается к поверхности зеркала жидкости и, проходя над ней, вновь насыщается парами воды и спирта, испаряемыми с поверхности зеркала жидкости. Цикл замыкается.
В процессе интенсивного испарения с поверхности зеркала жидкости паров воды и спирта сусло охлаждается. Для поддержания температуры сусла предусмотрен его подогрев при помощи конденсатора 5 холодильной установки 9, который осуществляется либо непосредственным контактом внешних поверхностей конденсатора с суслом, либо через теплопроводящую перегородку, разделяющую сусло и конденсатор холодильной установки. Холодильная установка 9 осуществляет работу по передаче теплоты конденсации водно-спиртовых паров от испарителя 4 к конденсатору 5, а от него суслу 2.
В парогазовой среде непрерывно повышается содержание углекислого газа, поэтому для поддержания давления парогазовой среды внутри герметичного корпуса 1 на постоянном уровне производится принудительный отвод части охлажденной парогазовой среды с пониженным содержанием паров воды и спирта с помощью вакуумного насоса 8. Перед вакуумным насосом 8 расположена спиртовая ловушка-сепаратор 7, в которой происходит отделение непрерывно удаляемого углекислого газа от конденсата водно-спиртовых паров.
Благодаря своевременному удалению (отгонке) из сусла продуктов жизнедеятельности дрожжей - спирта и углекислого газа, являющихся ингибиторами процесса спиртового брожения, предотвращается их накопление в сбраживаемом сусле, в результате чего достигается эффект интенсификации процесса получения спирта и снижение содержания в спирте нецелевых продуктов брожения.
В процессе непрерывного сбраживания и вывода из герметичного корпуса углекислого газа и водно-спиртового конденсата происходит срабатывание сусла, поэтому предусматривается непрерывный или периодический вывод образующейся барды и добавление в герметичный корпус свежего сусла. Для обеспечения более полного сбраживания Сахаров в качестве одного из вариантов способом предусмотрено использование батареи из нескольких емкостей сбраживания-отгонки, соединенных между собой последовательно по суслу.