Технологическое оборудование традиционное и специальное технологическое оборудование предприятий пищевой промышленности

4.6.3. Установки для получения абсолютного спирта
Абсолютный спирт вырабатывают в небольших количествах для промышленности органического синтеза и для лабораторных работ. Абсолютный спирт образует устойчивые смеси с бензином и в ряде стран его используют как добавку к моторному топливу.

Спирт можно абсолютировать связыванием воды твердыми или жидкими материалами (например, негашеной известью, глицерином) и ректификацией под вакуумом или в присутствии солей, при этом азеотропная точка смещается в сторону большего содержания спирта. Эти способы получили некоторое распространение в лабораторной практике.

Рис. 4.65. Принципиальная схема установки для получения абсолютного спирта

промышленности для абсолютирования обычно пользуются методом тройных нераздельно кипящих (азеотропных) смесей. Суть его заключается в следующем. К ректификованному спирту прибавляют бензол. Тройная смесь этанол-вода-бензол образует азеотропную смесь, состоящую из 19,5% (масс.) этанола, 7,4% (масс.) воды и 74,1% (масс.) бензола и кипящую при 64,85°C. Азеотропная смесь ведет себя в колонне как легколетучий компонент (ЛЛК), при охлаждении она разделяется на два слоя: верхний, состоящий в основном из бензола, и нижний – из смеси этанола и воды. При температуре 15°C в верхнем слое содержится (% масс): бензола 85, этилового спирта 13,3 и воды 1,7; в нижнем – спирта 49,7, воды 41,3 и бензола 9.

Абсолютный спирт может быть получен как из ректификованного спирта, так и непосредственно из бражки. В обоих случаях ректификованный спирт и бензол вводят в дегидратационную колонну 1 (рис. 4.65), в которой отгоняется тройная азеотропная смесь, содержащая большее количество воды, чем исходная жидкость. Обезвоженный спирт отводят снизу колонны. Дегидратационная колонна имеет 60…65 многоколпачковых тарелок, в том числе десять в концентрационной части, и закрытый обогрев.

Азеотропная смесь после охлаждения поступает в декантатор 3, где расслаивается: верхний слой возвращается в дегидратационную колонну, а нижний поступает в спиртовую колонну 2. Здесь спирт концентрируется и вместе с бензолом возвращается в дегидратационную колонну, а вода отводится из нижней части. Спиртовая колонна также имеет 60…65 многоколпачковых тарелок, в том числе 40…43 в концентрационной части. В установке постоянно циркулирует определенное количество бензола, который выполняет функцию переносчика воды из дегидратационной колонны в декантатор.

При получении абсолютного спирта непосредственно из бражки установку для абсолютирования связывают в единую систему с брагоректификационной установкой, в которой получают ректификованный спирт и без охлаждения сразу же вводят в дегидратационную колонну.

Расчет производительности и энергозатрат. На выработку 1 дал абсолютного спирта расходуется 15…20 кг пара, около 0,25 м³ воды и 0,01 кг бензола. Потери последнего компенсируются периодическим добавлением его в дегидратационную колонну. Предельно допустимые потери спирта при абсолютировании составляют 1% исходного ректификованного спирта. Производительность П (дал/сут) брагоректификационных установок в соответствии с инструкцией по определению мощностей рассчитывают, исходя из диаметра D (м) спиртовой колонны при выработке спирта высшей очистки:

При выработке спирта I сорта производительность установок увеличивается на 15%, а при выработке спирта «Экстра» снижается на 15%. Для расчета мощности по условному спирту-сырцу результат, полученный по вышеприведенной формуле, умножают на коэффициент 1,05, учитывающий спирт в побочных продуктах и потерях при ректификации. Площадь поверхности теплопередачи должна быть S (м²): при горизонтальных дефлегматорах S ≥ 0,04 П, при вертикальных S ≥ 0,028 П.

Для ориентировочных расчетов сечения отдельных колонн можно пользоваться приведенными ниже зависимостями. Для бражных колонн с 22 и более тарелками двойного кипячения:

при межтарелочном расстоянии 340 мм П = 1370D²;

при межтарелочном расстоянии 280 мм П = 1111D².

Если в бражной колонне 24 и более ситчатых тарелок, установленных на расстоянии 500 мм, П = 2065D², провальных – П = 2500D² и чешуйчатых – П = 3000D². При переработке мелассной бражки с содержанием спирта более 8 об.% производительность бражной колонны увеличивается на 5…10%.

Производительность колонн с многоколпачковыми тарелками ориентировочно может быть определена следующим образом:

эпюрационных П = 2222D²;

спиртовых при расстоянии 1400 мм П = 1500D²,

при 1400…1800 мм П = 140D²,

при 1800…2000 мм П = 1250D²;

окончательной очистки

для мелассных заводов П = 6940D²,

для зернокартофельных П = 3470D²;

сивушных колонн для разгонки головной фракции П = 6940D².

В спиртовых колоннах целесообразно устанавливать следующее число тарелок:

при D ≤ 1200 мм 66 (50/16),

при D = 1400…1800 мм 72 (54/18),

при D = 2000 мм 80 (60/18).

В настоящее время производят малогабаритные (высотой 1 м и диаметром 0,12 м) насадочные брагоректификационные установки производительностью 100…500 л/сут (20 теоретических тарелок). На этих установках получают спирт высшей очистки.

Контрольные вопросы

Что такое ректификация спирта и на какие группы (с точки зрения очистки) подразделяются примеси этилового спирта?
Что называется флегмой, флегмовым числом и с какой целью используют дефлегмацию?
Чему посвящены первый и второй законы Коновалова?
Какие смеси подчиняются закону Рауля?
Как классифицируются брагоректификационные аппараты?
Что является основным рабочим элементом ректификационной колонны и какие типы тарелок используются в колонных аппаратах?
По каким параметрам определяется температура кипящей бражки на тарелке кипения?
Каково назначение сепаратора и ловушки для бражной колонны брагоректификационного аппарата косвенного действия?
Можно ли применением перегонки под вакуумом снизить температуру кипения высокотемпературной жидкой смеси?
Как составить уравнения материального баланса для верхней и нижней частей ректификационной колонны непрерывного действия?
Как изменяется число тарелок, расход пара и охлаждающей воды в дефлегматоре с увеличением флегмового числа?
Какие установки более экономичны в тепловом отношении - периодического или непрерывного действия?
Каково устройство и принцип действия оборудования и схем установок рассмотренных в данном разделе?
Каковы расходные характеристики ректификационных утановок?
Чем отличается расчет эпюрационной и ректификационной колонн?
Какова техническая характеристика брагоректификационной установки косвенного действия?
Как рассчитывается производительность брагоректификационной установки?
Как определить энергозатраты на работу брагоректификационной установки?

5. Оборудование для ведения биотехнических

процессов
Изучить самостоятельно [2, с. 1019…1022]:

Основные определения
Научное обеспечение процесса солодоращения и получения ферментных препаратов
Классификация оборудования

5.1. Оборудование для солодоращения и получения ферментных препаратов
Солодовня с передвижной грядкой – осуществляется поточный способ солодоращения, при котором проращиваемое зерно периодически перебрасывается ковшом солодоворишителем вдоль ящика от места загрузки к месту выгрузки.

Солодовня с передвижной грядкой (рис.5.1.) представляет собой длинный ящик 6, подситовое пространство 9 которого разделено в поперечном направлении перегородками на несколько отделений, число которых равно или кратно числу суток ращения. На продольных стенках ящика 6 уложены рельсы, по которым вдоль ящика периодически передвигается ковшовый солодоворошитель 5 с помощью тележки 4. При рабочем ходе ворошитель 5 перебрасывает проращиваемое зерно, чем достигается не только его перемещение, но и перемешивание вдоль ящика.

Рабочий ход ворошителя имеет направление от места выгрузки готового солода к месту загрузки замоченного ячменя. Замоченное зерно из замочных аппаратов 7 и 8 загружается всегда в одно и тоже место солодорастильного ящика 6. Ворошитель приводится в движение через каждые 12 или 24 ч и каждый раз перебрасывает зерно на один шаг, а на свободнодвижущуюся площадь сита вновь загружается замоченное зерно. Солод проходя к месту выгрузки, при очередном рабочем ходе ворошителя в бункер 3, откуда транспортерами 1 и 2 (шнеком, лентой, элеватором и т.п.) передается в сушилку.

Рис. 5.1. Солодовни с передвижной грядкой

Проращенное зерно проветривается кондиционированным воздухом, который нагнетается вентилятором в центральный канал 10, проходящий вдоль всего солодорастильного ящика 6. Подача кондиционированного воздуха из этого канала в каждое отделение подситового пространства 9 регулируется шибером в зависимости от интенсивности роста, необходимости отвода выделившегося диоксида углерода и поддержания оптимальной температуры.

При параллельной установке нескольких солодорастильных ящиков 6 с передвижными грядками кондиционеры размещают с таким расчетом, чтобы в каждом из них воздух готовился для определенной стадии солодоращения, в первом кондиционере – неувлажненный воздух для подсушивания влажного, только что выгруженного в ящик замоченного зерна и подвяливания свежепроросшего солода перед выгрузкой его из солодовни в сушилку; во втором кондиционере - охлажденный и увлажненный воздух для проветривания грядки на третий – четвертый день солодоращения и т.д.

Статические солодовни, работающие по принципу совмещения процессов замачивания и проращивания ячменя, а также сушки солода в одном аппарате (рис.5.2.), состоят из аппарата 4 для замачивания, проращивания зерна и сушки солода со шнековым ворошителем 5, теплогенератора 1 с вентилятором 2 и камеры кондиционирования 10 с вентилятором 9.

Рис. 5.2. Принципиальная схема статической солодовни

Отсортированный ячмень после взвешивания подается в моечный аппарат 3, предварительно наполненный до половины объема водой температурой 14…15⁰С. Заполненный водой и зерном моечный аппарат 3 оставляют в покое на 20 …30 мин, затем смесь зерна с водой интесивно перемешивают сжатым воздухом и снимают сплав при непрерывном токе воды. После предварительной мойки зерна в аппарат 3 добавляют дезинфикатор, а затем – активатор роста.

Через 5...6 ч водно-зерновая смесь гидротранспортером направляется в аппарат 4 для замачивания и проращивания зерна и сушки солода. Продолжительность загрузки аппарата 4 зерном не должна превышать 1...1,5 ч. Расход воды на мойку и гидротранспортирование зерна составляет 2...4 м³. Аппарат 4 периодического действия представляет собой индивидуальную камеру с ситчатым днищем, шнековым солодоворошителем 5 для ворошения и выгрузки солода, а также транспортным оборудованием (механический конвейер 11 и нория 6).

Ситчатое дно аппарата 4, на котором укладывается зерно, выполняется из плетеных решеток, изготовленных из нержавеющей проволоки. Для обеспечения равномерного распределения давления сушильного агента в подситовом пространстве его высота должна составлять не менее 2 м.

Для увлажнения и охлаждения воздуха, поступающего в аппарат 4 в период замачивания и проращивания зерна, под ситом дополнительно устанавливаются форсунки 12 для получения однородной пыли.

Выгруженный на сита аппарата 4 ячмень оставляют в покое на 5 ч, обеспечивая при этом удаление избыточной воды и поглощение ее с поверхности зерна. Дальнейшее замачивание осуществляется воздушно-оросительным способом с периодической или непрерывной продувкой слоя кондиционированным воздухом и орошением распыленной водой. Оптимальный расход кондиционированного воздуха составляет 250...300 м³ /(ч∙т), - оптимальный расход воды – 1 м³ на 1 т ячменя.

Орошение зерна водой во время его ворошения шнековым ворошителем 5, на котором установлена оросительная система, необходимо проводить в зависимости от способности ячменя к водопоглощению. Продолжительность замачивания зерна до достижения влажности 45 % составляет в среднем 30...40 ч.

При достижении зерном влажности 43...46 % орошение водой прекращается. В процессе проращивания зерновую массу необходимо ворошить 2...3 раза в сутки, периодически или непрерывно продувая кондиционированным воздухом, с помощью вентилятора 9. Максимальная высота свежепроросшего солода составляет 1,5...2 м.

После окончания проращивания свежепроросший солод в аппарате 4 подвергают сушке и термической обработке сушильным агентом, подготовленным в теплогенераторе 1. Сушку и термическую обработку солода проводят без ворошения в течение 20 ч. Расход сушильного агента на сушку солода составляет 4...4,5 тыс м³/(ч∙т) при давлении 1000 Па. В конце сушки расход агента уменьшается до 2 тыс м³/(ч∙т) при давлении 400 Па. В процессе сушки солода необходимо не только удалить из него избыточную влагу, но и обеспечить благоприятные условия для протекания физиологических, биохимических и химических процессов, в результате которых продукт приобретает, определенные технологические свойства.

Сухой солод выгружают из аппарата 4 с помощью шнекового ворошителя 5, который подает зерно на механический конвейер 11, расположенный вдоль аппарата 4, а оттуда на норию 6 в бункер 7, росткоотбойную машину 8 и далее на склад.

Расчет производительности и энергозатрат. Тепловой баланс солодорастителной установки имеет вид

,
где: Q₁ – теплота, вносимая в аппарат с замоченным зерном, кДж/кг; Q₂ – теплота, выделяемая при солодоращении, кДж/кг; Q₃ – теплота (энтальпия) аппарата при загрузке ячменя, кДж/к; Q₄ – теплота, вносимая в аппарат с кондиционированным воздухом, кДж/кг; Q₅– теплота, отводимая с солодом при выгрузке, кДж/кг; Q₆ – теплота, выделяемая при солодоращении, кДж/кг; Q₇ – теплота (энтальпия) самого аппарата при выгрузке солода, кДж/кг; Q₈ – потери теплоты в окружающую среду, кДж/кг.

Производительность ящика солодовни с передвижной грядкой П (кг/ч)

,
где: F – общая площадь сита ящика, м²; ρ – насыпная плотность воздушно-сухого ячменя, кг/м³; h – высота слоя ячменя в ящике,м; τ_Р – продолжительность выращивания солода (τ_Р = 6…8 суток).

Количество теплоты, которое необходимо удалить из 1 кг солода в статической солодовне путем проветривания его кондиционированным воздухом Q (кДж/кг) равно

В дрожжевых аппаратах (рис. 5.3) производят периодичное культивирование дрожжей в спиртовом производстве. Это геометрически закрытый цилиндроконический аппарат, снабженный двумя змеевиками 1: один – для стерилизации среды паром, второй – для охлаждения среды и поддержания постоянной температуры при размешивании дрожжей. В аппарате размещена мешалка 2, которая может быть с верхним или боковым приводом.

Суть способа периодического культивирования состоит в том, что все операции – подготовка сусла, ввод посевных дрожжей, выращивание, ввод дрожжей, промывка стенок и их стерилизация, охлаждение и повторение наполнения – осуществляют последовательно.

Перемешивание дрожжевой массы может

Рис. 5.3. Дрожжевой аппарат

быть осуществлено также сжатым воздухом, подаваемым через барботер. Воздух предварительно должен быть очищен в биологическом фильтре. Расход воздуха составляет 0,4...1 м³ на 1 м² свободной поверхности жидкости в аппарате в минуту. Дрожжевой аппарат с воздушным перемешиванием изображен на рис. 5.4. При перемешивании мешалкой от электродвигателя принимают расход мощности из расчета 1 кВт на 1 м³ дрожжевой массы.

Дрожжевые аппараты изготовляют из стали толщиной 5...6 мм. Расчет поверхности охлаждения змеевика аналогичен расчету змеевика бродильного аппарата. Площадь поверхности змеевика для воды принимают из расчета 2 м²на 1 м³ полезной емкости аппарата; площадь поверхности парового змеевика - 0,8 м² на 1 м³ полезной вместимости аппарата.

Вместимость дрожжевого аппарата составляет – 6...8 % объема бродильного аппарата, коэффициент наполнения 0,8.

Дрожжерастительные аппараты предназначены для размножения дрожжей в производстве хлебопекарных дрожжей при сохранении их подъемной силы. Процесс выращивания дрожжей длится 20...36 ч, выход их составляет 70... 85% количества мелассы. В дрожжевом производстве стремятся погасить брожение и активизировать размножение дрожжей. Поэтому в современном дрожжерастительном аппарате должны обеспечиваться значительное разбавление дрожжевой суспензии (до 25 м³ на 1 т мелассы), хорошая аэрация (до 100 м³/ч воздуха на 1 м³ объема аппарата), строго определенная концентрация питательных веществ во время размножения дрожжей и определенная температура.

Рис. 5.4. Дрожжевой аппарат с воздушным перемешиванием

Дрожжерастительный аппарат ВДА-100 (рис.5.5.) представляет собой сварной цилиндрический резервуар с охлаждающей рубашкой и пластинчатой аэрационной системой для насыщения суспензии кислородом во время размножения дрожжей.

Резервуар 1 установлен на балках 14 и стойках 15 и имеет охлаждающую рубашку 20 из десяти секции (поясов). Аппарат снабжен люками 18 и 21 для обслуживания и ремонта, смотровым окном 2, осветителем 3, гидрозатвором 11, воздухоподводящей трубой 17, коробами 13 аэрационной системы, соплами 16 для промывания коробов, коллектором 19 для подачи воды в секции охлаждающей рубашки и коллектором 12 для вывода воды из охлаждающей рубашки.

На крышке аппарата установлена вытяжная труба 7, которая перекрывается заслонкой 10. Заслонка с помощью муфты 4 соединена со штоком 9, несущим поршень, движущийся в цилиндре 8 при помощи гидравлического привода, снабженного четырехходовым краном 5. По шлангу 6 поступает вода для промывания. Подачу воздуха регулируют задвижкой 22 через распределительный коллектор 23. Культуральная среда выводится по трубе 24. За уровнем жидкости в аппарате наблюдают через мерное стекло 25.

Рис. 5.5. Дрожжерастительный аппарат ВДА-100

Пластинчатая аэрационная система ВДА включает распределительный коллектор и короба, закрытые сверху перфорированными пластинами с отверстиями диаметром 0,5 мм. В некоторых аппаратах смонтированы трубчатые системы аэрации конструкции ЦРММ. Они состоят из перфорированных трубок диаметром 51 мм, расположенных на днище аппарата на определенном расстоянии. В поперечном сечении трубки имеют 7 рядов отверстий диаметром 0,8...0,9 мм, расположенных через 15°, с шагом 5 мм. Трубки соединены с воздухораспределительным коллектором.

Расчет энергозатрат. Стерилизация дрожжевой массы осуществляется путем нагревания ее от t₁= 50 до t₂= 85 ⁰С в течении 30 мин. Количество теплоты, затрачиваемой на стерилизацию дрожжевого затора Q (кДж)

где: V_З– объем дрожжевого затора в аппарате, м³; ρ – плотность затора, кг/м³; с – теплоемкость затора, кДж/(кг∙К).

Тепловой баланс дрожжерастильного аппарата

,
где: Q₁ – теплота, вносимая в аппарат с питательной средой (растворами солей), кДж/кг; Q₂ – теплота, выделяющаяся при брожении, кДж/кг; Q₃ – теплота, вносимая в аппарат с охлаждающей водой, кДж/кг; Q₄ – теплота, вносимая в аппарат с воздухом, кДж/кг; Q₅– теплота, уходящая с дрожжевой суспензией (бражкой), кДж/кг; Q₆ – теплота, отводимая с охлаждающей водой, кДж/кг; Q₇ – теплота, отводимая воздухом, кДж/кг; Q₈ – потери теплоты в окружающую среду, кДж/кг.
Ферментаторы и биореакторы. Аппараты для проведения ферментативных процессов называются ферментаторами, а для создания наиболее благоприятных условий жизнедеятельности микроорганизмов – биореакторами.

Оборудование, предназначенное для культивирования микроорганизмов – продуктов биологически активных веществ, называют растильными установками.

Вибрационные растильные установки – основаны на динамическом методе выращивания культур грибов в непрерывно движущемся вибрационном слое. Сущность способа заключается в том, что стерильную питающую среду, смешанную с посевной культурой, в процессе выращивания подвергают вибрационным колебаниям с одновременным перемещением в непрерывном потоке. Под действием высокочастотных колебаний в пределах 10... 17,5 Гц питательная среда, находящаяся на транспортируемом органе, приобретает специфические свойства: становится более подвижной, уменьшается коэффициент внутреннего трения и снижается сопротивление перемещению. Колебательные импульсы передаются слою транспортируемой среды и она переходит во взвешенное состояние.

Режим вибрационного транспортирования характеризуется непрерывным обновлением поверхностного слоя: часть пути среда совершает в контакте с поверхностью грузонесущего органа, затем отделяется от нее, а через некоторое время снова падает. В результате среда интенсивно перемешивается. Каждая частица среды находится в непрерывном движении в течение 36 ч, при этом интенсивно аэрируются отдельные мельчайшие частицы среды, что в тысячи раз увеличивает активную поверхность среды по сравнению со статическим кюветным способом выращивания.

Физиологическая теплота, выделяемая культурой в процессе активного роста, отводится водой, в результате чего расход кондиционированного воздуха сокращается с 20 000 до 500 м³ на 1 т культуры.

Применение вибрации позволяет интенсифицировать процессы массо- и теплообмена и микробиологического синтеза, механизировать все технологические операции, повысить активность культуры и организовать высокоэффективный процесс.

Вибрационная установка может быть как горизонтальной, так и вертикальной.

<предыдущая страница | следующая страница>