Зріла бражка - напівпродукт спиртового виробництва. Для отримання 1 м3 спирту витрачають близько 12 м 3 бражки. Брага складна за складом. У ній містяться дріжджі, солі, несбражіваемих вуглеводи, фарбувальні речовини, гліцерин і ін.
Мал. 1. Крива рівноваги системи етиловий спирт - вода при нормальному тиску.
Летюча частина представлена водою, етиловим спиртом і його домішками: кислотами, ефірами, альдегідами і вищими спиртами. У бражці знаходиться понад 50 різних летких речовин, але лише спирт і вода містяться в значній кількості, тому її умовно можна розглядати як бінарну систему.
Виділення етилового спирту з бражки і його очищення здійснюються ректифікацією. Під ректифікацією розуміють поділ бінарної чи багатокомпонентної рідкої системи на компоненти або фракції, що розрізняються летючість при одній і тій же температурі. При кипінні суміші, що складається з різних по летючості компонентів, більш летючий компонент переходить в парову фазу у відносно більшій кількості, ніж менш летючий. Це призводить до збагачення парової фази більш летючим компонентом. Можливість збагачення суміші одним з компонентів реалізується практично в процесах ректифікації, яку можна розглядати як метод складної або багаторазовою перегонки.
В основу сучасної теорії ректифікації покладені закономірності поділу бінарних систем, встановлені Д. Н. Коноваловим і М. С. Вревський.
Технологія ректифікації бінарних і багатокомпонентних сумішей обумовлюється різної летючість спирту і його домішок. Для оцінки летючості введені поняття коефіцієнта випаровування і ректифікації. Перше поняття застосовне для спирту та домішок, а друге - лише для домішок.
Летючість спирту характеризується його коефіцієнтом випаровування Ке.с:
Летючість домішок в значній мірі залежить, від вмісту спирту в суміші, що. Щоб судити, наскільки повно можна очистити етиловий спирт від даної домішки, необхідно порівняти коефіцієнт випаровування домішок K Пр з коефіцієнтом випаровування етилового спирту Ке.с і обчислити значення коефіцієнта ректифікації домішки - К 'за формулою
П. С. Циганков запропонував нову класифікацію домішок по їх летючості в залежності від вмісту етанолу в суміші. Всі домішки розділені на 4 групи: головні, хвостові, проміжні і кінцеві. До першої групи належать головні домішки (оцтовий альдегід, уксусноетіловий ефір і ін.), У яких коефіцієнт випаровування при будь-якому вмісті етанолу вище, ніж коефіцієнт випаровування спирту; отже, у цих домішок завжди К '> 1 і вони концентруються в парах при будь-якому вміст спирту в рідкій фазі. Друга група включає хвостові домішки, у яких летючість завжди менше летючості етанолу і К '<1. Наиболее типичной хвостовой примесью является вода. Третья группа представлена промежуточными примесями, которые обладают двоякими свойствами: при высоких концентрациях спирта в разделяемой смеси они ведут себя как хвостовые примеси, а при низких — как головные. При определенных концентрациях этанола K пр становится равным Кэ.с и коэффициент ректификации примеси будет равным 1.
Процес ректифікації здійснюється в протиточних апаратах - колонах, в яких пари суміші, рухаються знизу вгору, а назустріч їм вниз стікає рідина (флегма). Колони обладнані контактними пристроями або тарілками, службовцями для більш повного контакту між рідкої і парової фазами.
Для збільшення міцності дистиляту ректифікацію водно-спиртових сумішей поєднують з дефлегмаціей- підвищенням фортеці водно-спиртових парів часткової конденсації. Її здійснюють в спеціальних теплообмінних апаратах-дефлегматором. Рідина, що утворюється при дефлегмації, збіднюється легколетучим компонентом; її називають флегмою. Флегму повертають в колону. Несконденсировавшиеся в дефлегматоре міцні водно-спиртові пари надходять в холодильник, де повністю конденсуються, охолоджуються і виводяться з апарату у вигляді дистиляту. Відношення кількості флегми до кількості дистиляту називається флегмовое числом.
Для створення парового потоку в колону знизу підводять тепло у вигляді пари, що гріє. Що підлягає поділу суміш подається найчастіше в середню частину колони в рідкому, пароподібному або змішаному стані. Для поділу бінарної суміші використовують одну колону ректифікації. Ректифікацію багатокомпонентних сумішей здійснюють в декількох колонах, які працюють послідовно.
За технічним призначенням ректифікаційні установки спиртового виробництва підрозділяються на сирцовиє, ректифікаційні і брагоректифікаційний. Перші призначені для отримання з бражки спірта- сирцю, що містить крім етанолу все домішки. На ректифікаційних установках очищають спирт-сирець і отримують ректифікований спирт. У брагоректифікаційних установках суміщені технологічні операції серцевих і ректифікаційних апаратів. Ці установки дозволяють отримувати ректифікований спирт безпосередньо з бражки.
До складу брагоректифікаційний установки входять три основні і дві додаткові колони. До основних відносять бражної, епюраційні ректификационную колони, а до додаткових - сивушних і остаточну. Бражна колона призначена для відділення з бражки всіх її летких компонентів. Звільнена від летючих компонентів бражка називається бардою. У епюраційні колоні з; бражного дистиляту виділяють головні і кінцеві домішки у вигляді ефіроальдегідной фракції. Колона ректифікації служить для зміцнення і очищення спирту від проміжних домішок. Сивушна колона призначена для розвантаження ректифікаційної: колони від вищих спиртів з подальшим їх концентрування. В остаточній колоні додатково видаляються кінцеві або проміжні домішки етанолу. Окончательние- колони широко використовуються для очищення спирту від метанолу. Крім цих колон для вилучення спирту з ефіроальдегідной фракції використовують розгінні колони. Вихід ректифікованого спирту збільшується на 2,5-3,5%.
Апаратурно-технологічна схема установки побічної дії для отримання спирту з бражки представлена на рис. 2. Технологічний режим роботи установки полягає в наступному.
Брага, підігріта до 90 ° С в бражної підігрівачі, направляється через сепаратор вуглекислоти на верхню тарілку бражної колони, в яку знизу надходить гріючийпар. Пари, збагачені спиртом, йдуть в підігрівач, віддають своє тепло бражці і потрапляють в бражної конденсатор, де конденсуються. Бражної дистилят фортецею 45-55% об. надходить на поживну тарілку епюраційні колони. З нижньої частини бражної колони виводиться барда; тут підтримують температуру 104 ° С і тиск 0,016 МПа. Барда, позбавлена спирту, використовується на корм худобі або служить живильним середовищем для вирощування кормових дріжджів.
Пари, збагачені головними домішками, надходять в дефлегматор епюраційні колони, зміцнюються і направляються для конденсації в конденсатор. Ця колона працює при великому флегмовом числі, тому домішки виводять з колони у вигляді ефіроальдегідной фракції (2-4% по відношенню до спирту-сирцю). Фортеця цієї фракції дорівнює 95% об. У нижній зоні епюраційні колони підтримують температуру 90 ° С і тиск 0,015-0,020 МПа. З цієї зони відводять рідкий напівпродукт - епюрат, міцність якого 40% об. Епюрат, позбавлений основної маси головних домішок, надходить на поживну тарілку ректифікаційної колони.
Мал. 2. Схема брагоректифікаційний установки побічної дії:
1 бражная колона; 2 - пастка-сепаратор; 3 сепаратор вуглекислого газу; 4 конденсатор сепаратора вуглекислого газу; 5 - підігрівач бражки; 6 - конденсатор бражної колони; 7 - енюраціонная колона; 8 - дефлегматор епюраційні колони; 9 - конденсатор епюраційні колони; 10 колона ректифікації; 11- дефлегматор ректифікаційної колони; 12 - конденсатор ректифікаційної колони; 13 - холодильник ректифікованого спирту; 14 - ліхтар;
Б барда; Бр - бражка; П - пар; СМ - сивушна фракція; CP - спирт ректифікований; Т - число тарілок ЕАФ - ефіроальдегідная фракція.
Знизу в колону ректифікації, як і в епюраційні, надходить гріючийпар. Спиртові пари направляються в верхню частину колони. Для цієї колони характерна наявність зони непастеризованого спирту, що містить підвищену кількість ефірів і альдегідів, які потрапили в неї з епюраційні колони. Тому відбір цільового продукту - ректифікованого стандартного спирту фортецею 96,2- 96,5% об. виробляють нижче цієї зони з 5-7 тарілок, вважаючи зверху колони. Спирт відбирають в рідкому вигляді і направляють для охолодження в холодильник; після холодильника він надходить для вимірювання кількості безводного алкоголю в контрольний снаряд і далі направляється в спиртоприймального відділення. З отгонной частини ректифікаційної колони видаляють вищі спирти, вихід яких у вигляді сивушного масла становить 0,35%. З колони ректифікації відводять лютерную воду, що містить до 0,015% об. спирту. Колона працює при флегмовом числі 3,5 і тиску в нижній частині 0,02-0,028 МПа; температура в зоні відводу Лютера 105-107 ° С. Вихід ректифікованого спирту 95-96,5% до умовного спирту-сирцю.
Ректифікація багатокомпонентних сумішей пов'язана з великою витратою пара і води. Так, на апаратах непрямого дії на 1 дал спирту витрачають близько 0,6 м3 води і 60-70 кг пара.