Основными задачами системы автоматизации установки являются:
1) сбор информации об измеряемых технологических параметрах (температуре, давлении, уровне, расходе, качестве продуктов);
2) выработка управляющих воздействий на процесс с целью поддержания их на заданном значении;
3) сигнализация по выходе особо значимых параметров за заданные пределы;
4) обеспечение противоаварийной защиты процесса по факту аварийных событий.
Технология производства этилового спирта из растительного сырья (отходы древесины хвойных и лиственных пород и сельского хозяйства) основана на кислотном способе гидролиза.
Предварительно подготовленное сырье (опилки, солома и т.д.) подаются шнековым транспортером (Тр) в верхнюю горловину гидролизаппарата (Га). Для повышения плотности загрузки сырья и его пропитки одновременно с сырьем подается нагретый до 80-90 оС 0,5-0,8%-ный раствор H2SO4. Давление в гидролизаппарате составляет 1,6 МПа.
Концентрированную кислоту из мерника (М) плунжерным насосом (Н-1) через обратный клапан подают в смеситель на верхнем конусе гидролизаппарата, где она разбавляется горячей водой до нужной концентрации. Применяемые смесители с фторопластовыми кольцами и шайбами должны обеспечивать хорошее перемешивание воды и кислоты. Хранение концентрированной серной кислоты проводится в стальных вертикальных резервуарах вместимостью 300 м3.
Нагрев воды, направляемой на гидролиз, осуществляют в водогрейной колонке (Вк).
Гидролизат, отбираемый из гидролизаппарата, имеет температуру в пределах 150-185 оС. Перед поступлением в нейтрализационное отделение его необходимо охладить примерно до 100 оС, пропуская через испаритель (И), в котором давление снижается до атмосферного, в результате чего температура тоже понижается. Часть гидролизата при этом превращается в пары, с которыми уходит значительная часть летучих продуктов. В пары самоиспарения переходят до 50% фурфурола, метанол, скипидар и другие вещества [2].
Охлажденный гидролизат поступает в нейтрализатор (Нр), куда насосами (Н-2, Н-3, Н-4, Н-5) подаются сульфат аммония, диаммоний фосфат, хлористый калий, аммиачная вода соответственно. Нейтрализат подается насосом (Н-6) в отстойник (От), откуда осветленное нейтрализованное сусло собирают в сборник (Сб) и насосом (Н-7) подают в теплообменник (Т-1) и далее при температуре 22-24°С в бродильное отделение.
Для приготовления производственных дрожжей 8 % сусла подают в дрожжанки (Др-1 и Др-2), сюда же подают засевные дрожжи в количестве 8-12% по объёму сусла и оставляют на брожение, поддерживая температуру 26-28°С. Продолжительность брожения, составляет 18-24 часа.
Дрожжи считают готовыми, когда концентрация сухих веществ в сбраживаемой среде составляет 1/3 от исходного содержания, и при этом соблюдают чистоту брожения, нарастание кислотности в производственных дрожжах не допускают. Отбродившие дрожжи передают во взбраживатель (Вз), куда одновременно набирают охлаждённое сусло и оставляют на брожение. Время брожения 12 часов. После взбраживателя содержимое поступает в бродильные чаны (Бр).
Спиртовое брожение проводится в анаэробных условиях при температуре 32-34°С в течении 5-7 часов и концентрации дрожжей в культуральной жидкости 20-30 г/л. Сбраживание сусла осуществляют циклическим способом в батарее, состоящей из бродильных чанов. В результате брожения образуется спиртовая бражка, содержащая 1 - 2% этанола и диоксид углерода. Диоксид углерода (СО2), выделяющийся при брожении, поступает в спиртоловушку (Сп), из которой спиртоводную жидкость отводят в сборник бражки (Е-5) [3].
Выделение спирта из бражки и последующая очистка спирта-сырца производится в брагоректификационной установке непрерывного действия, состоящей из трех колонн: ректификационной (К-1), дегидратационной (К-2), спиртовой (К-3).
Готовая бражка насосом (Н-10) подаётся в дефлегматор (Т-2), где нагревается теплом конденсации водно-спиртовых паров сырцовой ректификационной колонны (К-1) до температуры 75-85 оС.
Нагретая бражка поступает на тарелку питания колонны (К-1).
Нижняя часть колонны (бражная или отгонная) служит для извлечения спирта из бражки. Она обычно имеет 18-20 тарелок, по которым бражка стекает сверху вниз. Извлечение спирта и летучих примесей осуществляется встречным потоком пара, вводимым через барботёр в нижнюю часть бражной колонны. Бражка, освобожденная от спирта, именуемая бардой, непрерывно выводится из колонны.
В верхней части колонны (спиртовой или укрепляющей) обычно устанавливают 10 ситчатых или многоколпачковых тарелок, на которых флегма, стекая из дефлегматора, вступает в контакт с поднимающимся из бражной части колонны водно-спиртовым паром. В результате извлечения спирта из флегмы происходит укрепление его в поднимающемся по колонне паре.
Спиртовой пар крепостью около 88 об. % из колонны поступает в дефлегматор (Т-2), где конденсируется, отдавая тепло бражке, образуя флегму.
Сконденсировавшиеся водно-спиртовые пары с сопутствующими примесями спирта образуют спирт-сырец, который поступает в установку для абсолютирования спирта [3].
Для абсолютирования спирта пользуются методом тройных нераздельнокипящих (азеотропных) смесей. Суть метода заключается в следующем: к спирту прибавляют бензол. Тройная смесь этанол-вода-бензол образует азеотропную смесь, которая имеет температуру кипения при атмосферном давлении 64,8 оС, в состав смеси входит 18,5% (по массе) этанола, 7,4% воды и 74,1% бензола.
В азеотропную (или дегидратационную) колонну (К-2) подают спирт-сырец крепостью 88% (по объему) и бензол из декантатора (Д). Из верхней части колонны отгоняется азеотроп этанол-вода-бензол; из кубовой части колонны отводится абсолютный этанол. Обогрев колонны осуществляется глухим паром. Число многоколпачковых тарелок 60-65, в том числе в укрепляющей части 10 тарелок. После конденсации и охлаждения в дефлегматоре (Т-3) азеотропная смесь поступает в декантатор, где расслаивается на верхний слой, состоящий в основном из бензола (при 15 оС содержит 85% бензола, 13,3% этанола и 1,7% воды) и нижний слой, состоящий из смеси этанола и воды (при 15 оС содержит 49,7% этанола, 41,3% воды и 9% бензола). Верхний слой возвращается в дегидратационную колонну, а нижний поступает в спиртовую колонну. В спиртовой (отгонной) колонне (К-3) этанол укрепляется и вместе с бензолом возвращается в колонну (К-2). Из кубовой части колонны (К-3) отбирается лютерная вода. Число многоколпачковых тарелок в спиртовой колонне 60-65, в том числе 40-43 в концентрационной части [2].
Потери бензола в системе периодически восполняются путем его подачи в декантатор. Расход бензола составляет 0,01 кг на 1 дал абсолютного этанола, пара 35-40 кг/дал. Потери этанола при абсолютировании около 1% от исходного количества.
В колоннах К-2 и К-3 необходимо осуществлять контроль следующих основных технологических параметров:
- расход потоков, теплоносителей и хладагентов;
- качество этанола;
- давление в колоннах.
Необходимо контролировать расход входящих и выходящих из колонны продуктов, а также расход смеси этанол+бензол из колонны К-3, расход бензола, подаваемого в качестве холодного орошения колонны К-2. Кроме того, следует контролировать расход хладогента в теплообменниках Т-3 и Т-4 и пара для обогрева колонн.
Необходимо контролировать качество этанола, выходящего из колонны К-2, на содержание в нем бензола.
3.2 Выбор и обоснование параметров контроля и регулирования
В блоке очистки биоэтанола необходимо осуществлять контроль и регулирование следующих основных технологических параметров:
– температура;
– расход;
– уровень.
Основными параметрами, влияющими на работу колонны, являются температура верха и низа. Температура верха К-2 регулируется подачей холодного бензола на верхнюю тарелку, К-3 – подачей холодной смеси этанол+бензол, а температура низа обеих колонн стабилизируется потоком пара. Температура горячей струи под нижнюю тарелку регулируется подачей пара в подогреватель. Кроме того, регулируются температуры потоков, выходящих из теплообменников Т-3, Т-4, путем изменения расхода хладогента - воды.
Контроль и регулирование расхода сырья в колонну К-2 имеет большое значение, так как он влияет на эффективность разделения продуктов.
Необходимо регулировать уровень жидкости в кубах колонн. При осушении аппаратов происходит кавитация насосов, а при превышении установленного уровня – переполнение аппаратов, в случае колонны возможно захлебывание. Регулирование уровня осуществляется изменением расхода откачиваемых из аппаратов потоков.
В условиях предаварийной ситуации, когда технологические параметры выходят за заданные пределы, система автоматизации должна сигнализировать об этом оператору. Необходимо осуществлять сигнализацию следующих параметров:
- уровень в колонне К-2;
- уровень в колонне К-3;
- уровень в декантаторе Д.
Необходимо сигнализировать верхний и нижний пределы уровня жидкости в кубе колонны во избежание ее осушения или захлебывания.
В качестве параметров противоаварийной защиты выбираем уровень в колоннах К-2, К-3, а также в декантаторе Д. В случае осушения куба колонн перекрывается откачка остатка из колонн. В случае осушения декантатора Д перекрывается откачка смеси этанол+бензол+лютерная вода.
При выборе приборов контроля и регулирования руководствуются следующими положениями: