Спосіб зневоднення етанолу

Реферат: Винахід належить до харчової промисловості, а саме до спиртової галузі. Спосіб зневоднення етанолу передбачає адсорбцію води сорбентом. Як сорбент використовується морденіт, а процес адсорбції проводиться з початковою концентрацією водно-спиртового розчину 55-60 об. % при температурі сорбції 86 °C на першій стадії та з концентрації розчину 85-90 об. % при температурі сорбції 82 °C на другій стадії. Технічний результат від реалізації винаходу полягає в отриманні зневодненого етанолу за рахунок постадійного використання процесу сорбції, що забезпечує зниження енергоємності та вартості виробництва зневодненого етанолу. UA 106112 C2 (12) UA 106112 C2 UA 106112 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Винахід належить до харчової промисловості, а саме до спиртової галузі. Може бути використаний при виробництві спирту абсолютованого чи паливного етанолу. Найближчим аналогом винаходу, що заявляється, є спосіб зневоднення етанолу на синтетичних молекулярних ситах (Біоетанол / С.П. Циганков. -К., 2010.-73-77 с.). На ділянку зневоднення подають водно-спиртовий розчин із вмістом етанолу 93-95 об. % або водноспиртову пару, конденсат якої має таку ж міцність. Після перегрівання суха насичена водноспиртова пара (85-95 °C) зневоднюється за допомогою адсорбенту - синтетичного цеоліту ЗА, який працює по принципу молекулярного сита і, в подальшому, конденсується. Недоліком даного способу є висока вартість адсорбенту - синтетичного цеоліту, відсутність його виробництва в Україні, а також висока концентрація початкового водно-спиртового розчину, що, в цілому, призводить до великих енергозатрат та підвищення собівартості зневодненого етанолу. Задачею, на вирішення якої спрямований винахід, є створення нового способу зневоднення етанолу, використання якого забезпечить зниження енергоємності та вартості виробництва зневодненого етанолу. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб передбачає адсорбцію води сорбентом. Згідно винаходу, як сорбент, використовується морденіт, а процес адсорбції води проводиться з початкової концентрації водно-спиртового розчину 55-60 об. % при температурі сорбції 86 °C на першій стадії та з концентрації розчину 85-90 об. % при температурі сорбції 82 °C на другій стадії. Причинно-наслідковий зв'язок між запропонованими технічними рішеннями та очікуваним технічним результатом полягає в наступному. Як відомо, морденіт є природним мінералом групи цеолітів. В Україні велике родовище морденіту відкрито в Закарпатській області. Велика потужність пласта, приблизно 30-40 млн. т, та в десятки разів менша вартість морденіту в порівнянні з синтетичним цеолітом, забезпечує широке його використання для зневоднення етанолу. Спроможність морденіту вибірково поглинати із суміші тільки деякі компоненти, дає можливість здійснювати розділення суміші. Морденіт не сорбує молекули, критичний діаметр яких перевищує 0,42 нм. Критичний діаметр молекул води дорівнює 0,27 нм і ці молекули вільно проникають в адсорбент і залишаються у порожнинах морденіту. Критичний діаметр молекули етилового спирту дорівнює 0,47 нм. Тому із водно-спиртового розчину морденіт вибірково поглинає лише воду. Особливістю застосування постадійної адсорбції є адсорбційна здатність морденіту щодо води у водно-спиртових розчинах низької концентрації. Постадійну адсорбцію води з водноспиртових розчинів проводили з початкових концентрацій 55-60 об. %, так як, адсорбційна здатність морденіту з подальшим зниженням концентрацій розчину різко зменшується. Це пояснюється великим вмістом води у водно-спиртових розчинах нижчої концентрації, низькою активністю води, незмінністю характеру водневих зв'язків зі спиртом. Друга стадія передбачає адсорбцію води з водно-спиртових розчинів з початковою концентрацією 85-90 об. %, так як, отримати етанол концентрацією 99,8 об. % з нижчої початкової концентрації неможливо. В результаті використання процесу адсорбції води морденітом в дві стадії водно-спиртовий розчин на ділянку зневоднення подають з початковою концентрацією спирту 55-60 об. %, а не доводять розчин до концентрації 93-95 об. %, що зменшує витрати пари на виробництво зневодненого етанолу. Таким чином, підбір діапазону концентрацій початкового водно-спиртового розчину на першій - 55-60 об. % та 85-90 об. % на другій стадії адсорбції забезпечує найвищу інтенсивність адсорбційного процесу при зниженні енергоємності виробництва зневодненого етанолу. Особливості поведінки процесу адсорбції води із водно-спиртових сумішей морденітом корелюють зі зміною активностей води та спирту в цих сумішах в залежності від їх концентрацій та фазового стану. На основі проведеного аналізу активності води, більш ефективним є адсорбція води з парової фази водно-спиртових розчинів. 1 UA 106112 C2 5 10 15 20 25 30 35 Процеси адсорбції з парової фази водно-спиртової суміші, що відбуваються вище температури кипіння розчину, значно прискорюються за рахунок збільшення кінетичної енергії молекул суміші, яка сприяє їх проникненню в адсорбційні порожнини морденіту. При підвищенні температури збільшується також амплітуда коливань атомів й іонів в кристалічній решітці морденіту, що призводить до зміни розмірів вхідних вікон мінералу, а отже зростає ймовірність попадання молекул в адсорбційні порожнини морденіту. Постадійну адсорбцію води водно-спиртового розчину з початковою концентрацією 5560 об. %, проводили при температурі сорбції 86 °C. Процес адсорбції для водно-спиртових розчинів з низькою концентрацією необхідно проводити при високих температурах для запобігання конденсації водно-спиртової пари на поверхні морденіту. Друга стадія передбачає адсорбцію води з водно-спиртових розчинів з початковою концентрацією 85-90 об. % при температурі сорбції 82 °C. При цій температурі спостерігається підвищення інтенсивності адсорбції молекул води морденітом, завдяки структурним змінам в адсорбенті. При підвищенні температури теплова енергія молекули води виявляється настільки високою, що суттєво переважає енергію активних центрів морденіту і більшість молекул адсорбату не може потрапити у вхідні вікна, що знижує адсорбційну здатність морденіту. Таким чином, в обох перелічених випадках при температурах 86 °C і 82 °C, відповідно, досягається найвища інтенсивність адсорбційного процесу. Властивості адсорбенту після проведення процесу зневоднення можна відновити за допомогою різних способів регенерації для подальшого використання. Заявлений спосіб здійснюють наступним чином. Адсорбент - природний морденіт промивають та піддають термічній обробці, в результаті якої його пори звільняються від поглинутих раніше речовин і набувають адсорбційних властивостей. Після температурної обробки сорбент охолоджують і заповнюють ним два адсорбери, попередньо піддавши їх вакуумуванню для видалення повітря за допомогою вакуум-насоса, щоб уникнути протікання каталітичних процесів і збільшити активність адсорбційних центрів. Водно-спиртову суміш, яка підлягає зневодненню, подають у випарник, де її випаровують і у вигляді водно-спиртової пари подають в перший адсорбер. Водно-спиртова пара з концентрацією 55-60 об. % проходить через адсорбер, температура в якому - 86 °C, при атмосферному чи близькому до атмосферного тиску. При досягненні концентрації водноспиртової пари 85-90 об. % її направляють в другий адсорбер, температура в якому - 82 °C. Спиртову пару, концентрацією 99,8 об. %, конденсують і відбирають в збірник для зберігання зневодненого етанолу. Зневоднений етанол зберігають у герметичних посудинах з метою уникнення поглинання етанолом вологи з навколишнього середовища. Приклади здійснення способу наведені в таблицях 1 та 2. Таблиця 1 Усереднені концентрації водно-спиртових розчинів, отриманих в результаті першої стадії адсорбції морденітом масою 90 г, при температурі сорбції 86 °C № прикладу 1 2 3 4 5 Водно-спиртовий розчин після 1-ої стадії адсорбції, t=86 °C Концентрація, об. % Об'єм, мл 82 75 85 75 87 75 90 75 92 75 Початковий водно-спиртовий розчин Концентрація, об. % Об'єм, мл 52 150 55 150 57 150 60 150 62 150 2 Висновки Не задовольняє Задовольняє Задовольняє Задовольняє Не задовольняє UA 106112 C2 Таблиця 2 Усереднені концентрації водно-спиртових розчинів, отриманих в результаті другої стадії адсорбції морденітом масою 90 г, при температурі сорбції 82 °C № прикладу Початковий водно-спиртовий розчин, після 1-ої стадії адсорбції Концентрація, об. Об'єм, мл % Водно-спиртовий розчин після 2-ої стадії адсорбції, t=82 °C Концентрація, об. % Об'єм, мл 1 15 20 25 75 99,0 50 85 87 90 75 75 75 99,8 99,98 100 50 50 50 5 10 82 2 3 4 5 Висновки 92 75 100 50 Не задовольняє Задовольняє Задовольняє Задовольняє Не задовольняє Аналізуючи дані таблиць, бачимо, що отримати зневоднений етанол, концентрацією 99,8 об. %, в результаті використання двох стадій адсорбції можна при початкових концентраціях водноспиртових розчинів 55 об. % і вище. Початкові концентрації водно-спиртових розчинів, нижчі за 55 об. %, не забезпечують отримання після другої стадії адсорбції бажаної концентрації (99,8 об. %). Ефективність зневоднення водно-спиртових розчинів морденітом при початкових їх концентраціях 55 об. % і вище збільшується в порівнянні з розчинами, які мають менший вміст спирту. Це можна пояснити зменшенням активності води, особливо у поверхневій фазі, взаємодією молекул води із спиртовими асоціатами, руйнуванням структури води. Все це сприяє підвищенню адсорбційної спроможності морденіту. При концентрації початкового водноспиртового розчину вище 60 об. % суттєво зростають витрати пари на отримання зневодненого етанолу концентрацією 99,8 об. %. Тому використовувати початкові водно-спиртові розчини з концентрацією спирту вище 60 об. % недоцільно. Технічний результат від реалізації винаходу полягає в отриманні зневодненого етанолу за рахунок постадійного використання процесу сорбції, що забезпечує зниження енергоємності та вартості виробництва зневодненого етанолу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ Спосіб зневоднення етанолу передбачає адсорбцію води сорбентом, який відрізняється тим, що як сорбент використовується морденіт, а процес адсорбції води проводиться з початкової концентрації водно-спиртового розчину 55-60 об. % при температурі сорбції 86 °C на першій стадії та з концентрації розчину 85-90 об. % при температурі сорбції 82 °C на другій стадії. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3