Модульная тарельчатая колонна. Практика на автоматике БКУ - 011М.

Медные конусные крышки. Колонна медного вкуса. Теория и практика.

Самогонный аппарат. Колпачковая колонна ХД/3-500 ККС-Н. Часть 1. Новинка 2016 года.

Самогонный аппарат. Колпачковая колонна ХД/3-500 ККС-Н. Часть 2. Новинка 2016 года.

Самогонный аппарат. Тарельчатая колонна.

Что такое тарельчатая колонна и зачем она вообще нужна... Отличие существенное от царги заглючается в том что в тарельчатой колонне мы используем вместо насадки СПН (спирально призматической насадки) собственно тарелки. При помощи тарельчатой колонны мы не получим чистый спирт. Однако мы можем получить на ней так называемый недоректификат крепостью 90-95 об. Тоесть это еще и не спирт, но уже и не дистиллят. Очень сильно очищенный дистиллят, в котором еще остались нотки исходного сырья. Данной технологии уже более сотни лет, и пользуются ей активно винокуры по всему миру. Наша страна в этом смысле последние годы не исключение. Данные колонны набирают огромную популярность.

Разберем основные отличия колонн для правильного понимания выбора конкретной колонны.

1. Как и все наше оборудование, тарельчатые колонны отличают по сериям: ХД/4 или ХД/3. Тут все просто. Если у Вас уже есть оборудование ХД, выбор делается по соответствующей серии оборудования. В случае если Вы только собираетесь приобретать оборудование, то нужно понимать отличие серий ХД/4 и ХД/3. Серия ХД/4 более бюджетная, у нее оптимальное соотношение цена качество. Серия ХД/3 имеет более высокую цену, но и более высокую производительность.
2. Используемы материалы при изготовлении колонн. Это либо пищевая нержавеющая сталь, либо кварцевое стекло. В последнем случае Вы имеете возможность наблюдать за процессом визуально, что доставляет истинное удовольствие. Не стоит забывать, что в первую очередь мы занимаемся этим хобби ради удовольствия.
3. Колонны отличаются так же по высоте и по количеству находящихся в них тарелок. По высоте колонны бывают двух размеров: 375 и 750мм соответственно. На укороченной колонне можно получить "недоректификат" крепостью 91-92С, на колонне 750мм можно получить "недоректификат" около 95С. Поскольку тарельчатые колонны разборны, то количество тарелок в колонне может регулируваться винокуром самостоятельно.
4. Тип исполнения тарелок. Тарелки изготавливаются двух типов: провальные и колпачковые. Сказать однозначно какие из тарелок лучше и на каких тарелках напиток получется вкуснее сложно. Дело в том что тарелки провальные хороши если мы используем стабильную мощность нагрева, без скачков в сети. Если сеть нестабильна, то можно использовать стабилизатор мощности нагрева например. Тарелки же колпачкового типа более неприхотливы и нагрев может использоваться любой. Однако в силу сложности изготовления таких колонн они более дорогие. Но и более эстетичные в процессе работы.
5. Материалы изготовления тарелок. Провальные тарелки изготавливаются из инертного фторопласта. Колпачковые же тарелки изготавливаются либо из нержавейки, либо из меди. Нержавейка как известно инертна. И поэтому напиток получаемой на ее поверности не имеет никаких характерных дополнительных вкусов, кроме исходного сырья. Медь же как считается абсорбирует вредную серу, выделяемую в процессе перегонки, тем самым избавляя напиток от неприятных запахов и вкуса. У сторонников меди и нержавейки много поклонников. У каждого свои доводы в пользу используемого материала тарелок.

Подробней узнать о работе с тарельчатыми колоннами можно тут.

Для проведения процесса ректификации применяют аппараты различных конструкций в основном колонного типа. По типу контактных устройств различают насадочные, тарельчатые и пленочные аппараты. Область применения тех или иных аппаратов определяется свойствами разделяемых смесей, производительностью и т.д.

Рис. 6.9.1. Колонные аппараты основных типов:

а - насадочный; б - тарельчатый; в - пленочный; 1 - корпус аппарата; 2 - распределитель; 3 - ограничительная решетка; 4 - насадка; 5 - опорная решетка; 6 - тарелка; 7 - переточное устройство; 8 - поверхность контакта.

Рис. 6.9.2. Основные схемы движения потоков пара и жидкости в контактной зоне:

а - противоток; б - прямоток; в - перекрестный ток.

По способу организации относительного движения контактирующих потоков жидкости и пара различают контактные устройства с противоточным, прямоточным и перекрестноточным движением фаз (рис. 6.9.2). Независимо от схемы движения потоков в пределах отдельного контактного устройства (контактной ступени) в целом по аппарату, как правило, осуществляется противоток пара и жидкости.

Насадочные колонны нашли применение в тех случаях, когда необходимо обеспечить малую величину задержки жидкости в колонне, небольшой перепад давления, а также для малотоннажных производств. Были созданы типы насадок (кольца Палля, из просечного металла, сеток и др.), которые оказались достаточно эффективными в колоннах большого диаметра.

Основные типы насадок . Насадки представляют собой твердые тела различной формы, которые загружают в корпус колонны внавал или укладывают определенным образом. Развитая поверхность насадок обусловливает значительную поверхность контакта пара и жидкости. Известны многие конструктивные модификации насадочных тел, основные типы которых приведены на рис. 6.9.3.

Для заполнения насадочных колонн широко применяют кольца Рашига, изготовленные из различных материалов, что обеспечивает универсальность их практического использования. Однако кольца Рашига обладают относительно невысокой производительностью и сравнительно высоким сопротивлением. Последнее ограничивает их применение для вакуумных процессов. Созданные различные модификации колец Рашига- кольца Палля, кольца Борад и другие позволили получить лучшие рабочие характеристики, чем при кольцах Рашига.

Рис. 6.9.3. Элементы нерегулярных насадок:

1-4 – кольца Рашига, Лессинга, Палля и кольца с крестообразными перегородками; 5, 6 – круглые и трехгранные пружины; 7, 9 – керамические и штампованные металлические насадки Инталлокс; 8 – насадка Берля

В связи с необходимостью создания насадок с низким гидравлическим сопротивлением были разработаны различные варианты регулярной укладки насадочных тел, блочные насадки, а также насадки из сеток различных конструкций.

К регулярным относятся насадки, расположение элементов которых в объёме колонны подчинено определённому геометрическому порядку создающему упорядоченные каналы для прохода элементов. Примеры таких насадок показаны на рис.6.9.4.

Элементы плоскопараллельной насадки 1 могут быть выполнены из досок, стекол, металлических пластин или сетки.

Насадка Зульцера 2 состоит из перемежающихся слоев гофрированной сетки или перфорированного металлического листа, причем гофры в соседних слоях повернуты в противоположную сторону.

Насадка Гудлоу 3 (иногда ее называют насадкой Панченкова) представляет собой свернутую спираль из сетчатого чулка. В колонну такие свитые пакеты укладываются послойно. Поток пара через них проходит в щелях между сетчатыми слоями.

Наклонно-пакетная насадка 4 представляет собой прямоугольные пакеты из уложенных в них слоев чулочной сетки, которые устанавливаются под углом 45-60° друг к другу (или вертикально).

Рис. 6.9.4. Регулярные насадки:

1 – плоскопараллельная; 2 – Зульцера; 3 – Гудлоу; 4 – пакетная с наклонными секциями

Основными размерными характеристиками насадок являются удельная поверхность и свободный объем. Под удельной поверхностью насадки f понимают суммарную поверхность всех насадочных тел в единице объема аппарата. Единица измерения в СИ м 3 /м 3 . Чем больше удельная поверхность насадки, тем выше ее эффективность, но больше гидравлическое сопротивление и меньше производительность.

Под свободным объемом насадки ε понимают суммарный объем пустот между насадочными телами в единице объема аппарата. Единица измерения в СИ м 3 /м 3 . Чем больше свободный объем насадки, тем выше ее производительность, меньше сопротивление и эффективность. С увеличением размеров насадочных тел возрастает производительность, но одновременно снижается эффективность разделения.

Рис. 6.9.5. Распределители жидкости:

7 – перфорированная плита; 2 – плита с патрубками; 3 – плита с наклонными отражателями струй; 4 – напорный маточник-распылитель

Чтобы предотвратить растекание жидкости к стенкам колонны, насадку загружают в колонну отдельными слоями высотой от 1,5 до 3 м. Между слоями насадки устанавливают распределители различных конструкций (рис. 6.9.5).

Насадку укладывают на опорные распределительные решетки и плиты. Свободное сечение таких устройств должно быть по возможности больше и приближаться к величине свободного объема насадки. Чтобы насадка работала эффективно, поверхность элемента насадки должна хорошо смачиваться жидкостью.

Гидравлика насадочных колонн . В зависимости от нагрузок колонны по пару и жидкости изменяется характер взаимодействия между ними, этим и определяется предельная скорость пара в насадочной колонне. При некоторых величинах паровой и жидкостной нагрузок резко увеличиваются количество удерживаемой в насадке жидкости и гидравлическое сопротивление слоя насадки. Такой режим называется захлебыванием колонны и считается верхним пределом устойчивой ее работы.

Тарельчатые колонны . В тарельчатых колоннах пар (или газ) проходит через слой жидкости, находящейся на тарелке. При этом пар дробится на мелкие пузыри и струи, которые с большой скоростью движутся в жидкости. Образуется газожидкостная система, которую называют пеной. Работа тарельчатой колонны показана на рисунке.

Рис. 6.9.7. Основные типы ректификационных тарелок:

I – решетчатая провальная; II – сетчатая провальная; III – ситчатая перекрестноточная; IV – колпачковая (а, б, в - капсюльный, туннельный и желобчатый колпачки); V – из S-образных элементов; VI - клапанная (а, б, в, г); VII – струйная (а, б); VIII - вихревая (а -устройство вихревого элемента); 1 – корпус колонны; 2 – полотно (основание) тарелки; 3 – отверстия для прохода паров; 4 – переливные трубы; 5 – сливные сегментные карманы; 6 – сливные пластины (перегородки); 7 – паровые патрубки; 8 – колпачки; 9 – клапаны; 10 – ограничители подъема клапана; 11, 12 – фасонные отгибы полотна тарелки; 13 – просечки вихревого элемента; 14 – отражатели (п и ж – направления движения пара и жидкости)

Основные конструкции ректификационных тарелок показаны схематично на рис. 6.9.7.

Простейшая из них – решетчатая провальная тарелка (рис. 6.9.7, I ), полотно которой имеет геометрически упорядоченные ряды щелей (размерами примерно 10 x 150 мм), через которые вверх проходит пар, барботируя через слой жидкости на тарелке, и через которые часть избыточной жидкости стекает (проваливается) струями на нижележащую тарелку.

Такая тарелка очень чувствительна к изменению нагрузки по жидкости, при изменениях которой от расчетной на 20-30% тарелка может либо захлебнуться, либо не удерживать на полотне слой жидкости. Такой же эффект будет иметь место и при колебаниях нагрузки по парам.

Дырчатая волнообразная тарелка (рис. 6.9.7, II )является усовершенствованной решетчатой. Полотно ее имеет не щели, а отверстия диаметром 10-15 мм. Профиль полотна в разрезе – синусоидальный. Это позволяет разделить зоны преимущественного прохода пара (верхние изгибы тарелки) и стока жидкости (нижние изгибы полотна тарелки). Слой жидкости на тарелке удерживается выше верхних изгибов, и потому пар барботирует через этот слой. Тарелка рассчитана на колонны малого диаметра и применяется в колоннах стабилизации бензина и разделения углеводородных газов.

Обе тарелки (I и II на рис. 6.9.7.) являются провальными, и колонна с такими тарелками работает в режиме противотока пара и жидкости. Остальные из показанных на рис. 6.9.7 тарелок являются перекрестноточными, т.е. жидкость на них движется не навстречу потоку пара, а перпендикулярно или под углом, близким к прямому.

В зависимости от величины жидкостной нагрузки переток ее с тарелки на тарелку осуществляется одним, двумя и более потоками (рис. 6.9.8).

Рис. 6.9.8. Схемы потоков жидкости на тарелках с переливными устройствами:

а – однопоточная; б – двухпоточная; в – трехпоточная; г – четырехпоточная; д – с кольцевым движением жидкости; е – с однонаправленным движением жидкости на смежных тарелках; ж, з – каскадного типа; и – с серповидной сливной перегородкой.

Простейшей из тарелок такого типа является ситчатая (дырчатая) перекрестно-точная тарелка . Полотно ее имеет отверстия диаметром 4 – 12 мм по всей площади, кроме двух противоположных сегментов, где находятся сливные трубы. Эти трубы приподняты над полотном тарелки на высоту 20–40 мм (высоту слива – высоту барботажного слоя жидкости на тарелке), а другим (нижним) своим концом не доходят до полотна тарелки также на 30–50 мм. Для того чтобы поток пара не попадал в сливную трубу, нижний ее конец погружен в слой жидкости высотой не более 50 мм, создаваемый подпорной планкой перед перфорированной частью тарелки. Образующийся при этом гидрозатвор не позволяет парам попадать в сливную трубу. Переливное устройство может быть не только в виде сливных труб, но и в виде сегментной перегородки (IV, рис. 6.9.7), отсекающей от парового пространства сегментный объем, через который жидкость переливается с одной тарелки на другую.

В сливных трубах (или сегменте) уровень жидкости обычно выше уровня на нижележащей тарелке на величину, уравновешивающую гидравлическое сопротивление тарелки. Поэтому расстояние между тарелками не может быть меньше, чем этот столб жидкости в сливном устройстве.

С другой стороны, расстояние между тарелками (шаг тарелок) реально устанавливают с учетом следующих факторов:

· сепарации брызг жидкости из парового потока, выходящего из барботажного слоя, и сокращения за счет этого уноса жидкости на вышележащую тарелку;

· возможности доступа человека в межтарельчатое пространство при ремонте и осмотре тарелок.

Исходя из этих условий нормативными документами установлен шаг тарелок в зависимости от диаметра колонны от 300 до 900 мм.

Ситчатые тарелки (см. рис. 6.9.7, III) используют в колоннах небольшого диаметра (до 2,0-2,5 м). В настоящее время часто используются варианты ситчатых тарелок, полотно которых выполнено из просечно-вытяжного листа. Поток паров, проходя через такое полотно, отклоняется от вертикали и на выходе из барботажного слоя направлен под углом 40-60° к горизонтали. Чтобы интенсифицировать работу тарелки на пути выходящего из барботажного слоя пара, наклонно устанавливают отбойные элементы, изготовленные из того же просечного листа. Ударяясь об эти элементы, парожидкостная смесь сепарируется: жидкость пленкой стекает по элементу вниз, в зону барботажа, а пары через щели проходят в межтарельчатое пространство. Такие тарелки имеют очень малое гидравлическое сопротивление (0,1-0,2 кПа) и обеспечивают достаточно высокую эффективность массообменных процессов.

Рис. 6.9.9 Схема работы полотна тарелки из просечного листа:

1 – корпус колонны; 2 – стенки сливного кармана; 3 – полотно тарелки; 4 – отбойные элементы из просечного листа

Недостаток таких тарелок (как и других вариантов ситчатой тарелки) состоит в том, что при малейшей негоризонтальности или местных выпуклостях или вмятинах полотна тарелки она работает неравномерно по всей площади – в нижележащих точках проваливается жидкость, а в вышележащих – проскакивает пар без барботажа. В результате снижается эффективность тарелки.

Одним из старейших по длительности использования и массовых до сих пор типов тарелок является колпачковая тарелка (см. рис. 6.9.7, IV) с круглыми (капсюльными) колпачками. Ее отличие от предыдущих – наличие у каждого отверстия для прохода паров патрубка 7 определенной высоты, над которыми укреплен колпачок 8 с прорезями для прохода паров по всему нижнему его краю. Такое устройство позволяет ввести поток пара в слой жидкости на тарелке параллельно ее плоскости и раздробленным на множество мелких струй. Кроме того, встречные струи от соседних колпачков, соударяясь, создают завихрения в межколпачковой зоне, в результате чего повышается эффективность тарелки. Действительно, в подавляющем большинстве случаев средний к.п.д. такой тарелки на практике оказывается наибольшим – 0,6-0,8.

Существует большое число модификаций колпачковой тарелки, различающихся устройством или формой колпачков. Три из таких модификаций показаны на рис. 6.9.7 (IV, а; IV, б и IV, в).

Первая из них – это описанная выше тарелка с круглыми колпачками. Такая тарелка универсальна, она нашла применение в различных колоннах – от колонн газоразделения до атмосферных и вакуумных. В последних она используется редко из-за большой металлоемкости тарелки, сложности изготовления и монтажа.

Вторая модификация (IV, б) – это тарелка с литыми или штампованными прямоугольными (туннельными) колпачками, использовавшаяся в 1930-40-е годы в колоннах фирмы "Фостер-Уиллер" (США) для разделения мазута на масляные фракции.

Третья модификация (IV, в) – это желобчатая тарелка, особенностью которой является отсутствие полотна тарелки. Вместо него установлены стальные желоба 2, между которыми образуются щели для прохода паров. Щели накрыты колпачками 8, имеющими по своим краям прорези, длина каждого колпачка соответствует длине щели между желобами. Жидкость движется вдоль желобов к сливу; а пары барботируют через щели колпачков.

На замену колпачковых и желобчатых тарелок в нефтепереработке в 1960-70-е годы пришли два новых типа тарелок – из S-образных элементов (V) иклапанная (VI).

Оригинальность тарелки из S-образных элементов состоит в том, что у нее полотно и колпачки образуют одинаковые элементы (в разрезе – S-образного профиля), но каждый колпачок при этом имеет прорези для прохода паров только с одной стороны, т.е. на единицу площади барботажа тарелки паровой поток вводится в жидкость меньшим (по сравнению сжелобчатой тарелкой) "фронтом" дробленых струй. В отличие от желобчатой тарелки жидкость на этой тарелке движется поперек туннельных колпачков, затапливая их.

Тарелки из S-образных элементов нашли очень большое распространение во всех колоннах, кроме вакуумных (из-за повышенного гидравлического сопротивления), благодаря малой металлоемкости, простоте изготовления (штамповка) и монтажа в сочетании с высокой эффективностью (средний к.п.д. 0,4–0,7).

Невысокая эффективность тарелок из S-образных элементов отчасти связана, с меньшей долей дробленых струй паров на единицу площади барботажа. Поэтому появилась комбинированная тарелка такого типа, у которой по верхней плоскости колпачков с шагом 100-120 мм расположены отверстия прямоугольного сечения, перекрытые клапанами, открывающимися по ходу движения жидкости. Это увеличивает барботажный эффект, снижает гидравлическое сопротивление тарелки и в результате повышает ее к.п.д.

Клапанные тарелки (рис. 6.9.7, VI) по принципу устройства ближе к дырчатым, но в отличие от них позволяют регулировать проходное сечение отверстий для паров. Для этого над каждым отверстием (диаметром от 30 до 50 мм) имеется устройство (клапан), который в зависимости от количества паров под их напором приподнимается (или поворачивается) над отверстием, изменяя таким образом проходное сечение для паров.

Однако существует множество разных конструкций клапанных тарелок, различающихся устройством клапанов.

На рис. 6.9.7, VI показано 4 наиболее типичных устройства клапанов: а, б – клапаны с верхними ограничителями подъема (а – поворотный, б – тарельчатый клапан, поднимающийся вертикально); в, г – клапаны с нижними ограничителями подъема – "ножками" (в – с тремя одинаковыми по высоте ножками; г – с тремя разными по высоте ножками: одной – короткой и двумя – длинными). Клапан типа Glitch (в) поднимается вертикально под напором паров, пока отгибы его ножек не упрутся в полотно тарелки. При этом сечение для прохода паров будет максимальным, а движение паров и жидкости – строго перекрестноточным.

Рис. 6.9.10. Фрагмент секции и схема работы клапанной перекрестно-прямоточной тарелки:

а, б, в – вид секции сбоку при малой (противоток), средней (перекрестный ток) и по­вышенной (прямоток) нагрузке тарелки по парам соответственно; г – вид клапанов сверху; д – вид клапана со стороны короткой ножки; 7 – полотно тарелки; 2 – отверстий для клапанов; 3 – клапаны; 4 – короткие ножки; 5 – длинные ножки (стрелками показаны направления движения жидкости и паров)

Клапан с разными ножками (рис. 6.9.10) вначале под действием потока пара поднимается со стороны короткой ножки (так как центр тяжести такого клапана смещен в сторону длинных ножек) до тех пор, пока она упрется в полотно. В этом положении (рис. 6.9.10, а) поток паров вводится под углом к плоскости тарелки навстречу движущемуся потоку жидкости, т.е. тарелка работает в противоточном режиме. При последующем увеличении количества паров клапан поднимается со стороны длинных ножек (точнее, поворачивается вокруг точки упора – короткой ножки), и когда плоскости клапана и полотна тарелки становятся параллельными (положение "б" на рис. 6.9.10), тарелка, как и в случае с клапаном Glitch, работает в режиме перекрестного тока жидкости и паров. Если количество паров продолжает расти, то клапан поворачивается вокруг точки упора дальше и, в конце концов, упирается в полотно всеми тремя ножками ("в " на рис. 6.9.10), принимая наклонное положение, при котором большее проходное сечение для паров расположено по ходу жидкости, т.е. тарелка работает в этом случае как прямоточная.

Клапанные тарелки сочетают в себе ряд преимуществ (малая металлоемкость, простота сборки, равномерный барботаж в широком интервале нагрузок по пару и жидкости и др.), которые позволили им стать самым распространенным типом тарелки, начиная с 1970-х годов и до настоящего времени. Эти тарелки применяют практически во всех типах колонн нефтепереработки – от газоразделительных до вакуумных.

Струйные тарелки (рис. 6.9.7, VII) представляют собой полотно толщиной 3-5 мм, в котором выштампованы отверстия различной конфигурации с отгибом лепестков под определенным углом. Наиболее типичные варианты таких тарелок показаны на рисунке: а – с отогнутыми лепестками в виде прямоугольников с округленными углами, б – в виде конусных выпуклостей (типа "суфлерской будки") с отверстиями в одну сторону. Барботаж на таких тарелках происходит в режиме перекрестно-прямоточного тока, при котором динамическая энергия потока пара используется для интенсификации движения жидкости по тарелке.

Струйные тарелки рассчитаны на применение в тех случаях, когда нагрузка колонны по потоку паров достаточно высока, поэтому они нашли большее применение в колоннах газоразделения. За счет ввода паров в слой жидкости под углом к плоскости тарелки унос капель жидкости на вышележащую тарелку значительно ниже, чем у перекрестноточных тарелок.

Вихревая тарелка (рис. 6.9.7, VIII) – пример тарелки с интенсивным смешением пара и жидкости на тарелке при пониженном уносе капель с нее. На полотне такой тарелки в окружностях диаметром 100-120 мм выштампованы в радиальных направлениях отверстия с отогнутыми лепестками (VIII, а), а по центру этих окружностей на шпильках установлены отбойные чашечки такого же диаметра (100-120 мм), в дне которых расположено 6–8 отверстий диаметром 5–6 мм. Такие вихревые элементы на полотне располагаются в шахматном порядке с шагом 140-180 мм.

Поток пара, проходя через просечки под углом 40-60° к плоскости тарелки, завихряется в смеси с жидкостью, текущей по полотну тарелки, и эта парожидкостная смесь, ударяясь об отбойные чашечки, сепарируется над ними. Поток паров идет далее в межтарельчатое пространство, а основная часть жидкости выпадает в чашечки и через отверстия в них стекает вновь в зону завихренного барботажного слоя.

Такая тарелка в опытных масштабах показала малое гидравлическое сопротивление, сочетающееся с высокой массообменной эффективностью, что отвечает основным требованиям для тарелок вакуумных колонн.

Для всех рассмотренных типов тарелок факторами, определяющими область их применения и эффективность работы, являются:

· гидравлическое сопротивление;

· равномерность и интенсивность барботажа по площади тарелки;

· диапазон нагрузок по пару и жидкости, в котором тарелка работает нормально (без провала жидкости и интенсивного уноса капель).

Любители приготовления домашних спиртных напитков со временем приходят к необходимости повышения качества. Лучшим решением является получение чистого спирта и разбавление его по требуемому рецепту.

Получить чистый спирт поможет ректификационная колонна. Совсем недавно информация о домашней ректификации была недоступной, сегодня большое количество специализированных форумов и блогов подробно освещает процесс домашней ректификации и постройки соответствующего оборудования.

Ректификация — процесс очистки спирта от легких эфирных и тяжелых сивушных составляющих, избавление продукта от глюкозы, сахаров и кислот. Процесс ректификации позволяет получить чистый этиловый спирт до 96°.

Получившееся сырье применяется в технических, медицинских целях, а также для приготовления высококачественного спиртного.

Справка. Чтобы без ошибок сделать аппарат своими руками, нужно понимать физику и химию процессов ректификации.

Спирт-сырец или брага нагреваются в кубе. Пары поднимаются по царге, самые тяжелые части конденсируются в нижней части набивки и стекают в куб. Пары полегче поднимаются выше набивки, конденсируются и стекают в куб. Новая порция паров поднимается, нагревает уже стекающую флегму, из нее испаряются легкие фракции — вступает в силу основополагающий принцип тепломассообмена.

Самые легкие частицы достигают холодильника Димрота, где охлаждаются и стекают. Когда в ректификационной колонне пары «выстроились» по этажам в соответствии с плотностью, начинается отбор спирта в верхней части колонны. Начинающие ректификаторы допускают ошибку именно на этом этапе — или допускают «захлеб» — излишнее возникновение флегмы, или отбирают много продукта, тогда страдает «этажность» и получившийся спирт будет с примесями.

Сделать ректификационную колонну в домашний условиях довольно сложно. Серьезные производители подробно рассчитывают и испытывают свой товар, прилагают подробную инструкцию. Перед самодельщиком стоит выбор:

1. Повторить задумку популярных производителей, скопировать уже существующий аппарат. При необходимости в проверенные схемы можно внести правки и доработки.
2. Сконструировать свою схему, отличающуюся от прочих.

Из чего состоит ректификационная колонна, и ее чертеж?

Домашний мастер может изготовить царговую ректификационную колонну. Она прощает многие ошибки, и результат будет гарантирован.

Чертеж ректификационной колонны

Перегонный куб

Это емкость, куда встраиваются нагреватели, испаряется брага или спирт-сырец.

Характеристики емкости:

1. Прочность. Вес ректификационной трубы будет приходиться на крышку, поэтому куб должен быть жестким.
2. Химическая нейтральность к спирту. Идеальный материал — пищевая хромникелевая сталь (нержавейка).
3. Удобность. Емкость нужно поднимать, перемещать, сливать из него барду (перегон). Объем емкости рассчитывается в зависимости от требуемой производительности аппарата, мощности нагревателей.
4. Утепление. Теплопотери должны быть минимальны. поэтому и стенки, и дно должно быть «упаковано» в утеплитель без мостиков холода.

Царга для самогонного аппарата

Царга — это труба, которая устанавливается на куб. По сути, это и есть основной каркас ректификационной колонны. Существует тарельчатая царга, но она редко применяется в домашних условиях.

Характеристики:

1. Прочность. Толщина стенки царги обычно принимается от 1 до 1.5 мм. Это создает достаточную прочность при небольшом весе.
2. Химическая нейтральность.
3. Утепление. Чтобы выстроить в колонне пары различных фракций «по этажам», царга должна быть хорошо утеплена. Отлично подойдет рукав из вспененного полипропилена или лотки из пенополистирола, применяемые в сантехнике.
4. Разборность. Для удобства чистки и хранения царгу можно сделать разборной — из колен 30-40 см. Это позволит регулировать высоту аппарата, что влияет на скорость и качество продукции.
5. Наличие смотровых стеклянных участков.
6. Диаметр. Если это тонкая трубка (до 2 дюймов), набивка не нужна — все процессы происходят на стенках. Такая колонна называется пленочной. Диаметры выше требуют применения насадки — уплотнительной набивки для повышения площади тепломассообмена.

Набивка или насадка

Набивка нужна для осаждения флегмы, ее повторного испарения. Главная характеристика набивки — площадь. В качестве набивки применяют камни определенных пород, сито из нержавеющей стали, стружечные спирали из нержавейки.

В продаже есть много уже готовых решений, домашние мастера придумали различные недорогие варианты-заменители. Чаще всего для замены заводским набивкам используются металлические сеточки для мытья посуды или металлическая стружка.

От объема и плотности насадки зависит выстраивание паров по этажам. Если в колонне используется мелкая стружечная призматическая насадка, нужно сделать решетчатую опору, чтобы насадка не попадала в куб.

Охладитель Димрота

Вверху ректификационной колонны находится охладитель — трубка, свитая в спираль.

По ней циркулирует холодная вода. Он полностью охлаждает все легкие пары. Характеризуется плоскостью наклона, мощностью, длиной.

Узел отбора

Он служит для того, чтобы отобрать спирт из верхнего «этажа». Отбор осуществляется не полностью, большая часть флегмы возвращается в царгу. Соотношение забранного продукта к вернувшейся в царгу флегмы называется флегмовым числом.

Чам выше флегмовое число, тем меньше производительность аппарата, тем чище получается продукт.

Существуют три вида отбора:

1. По браге. узел отбора находится выше холодильника Димрота, и улавливает прорвавшиеся пары. Они доохлаждаются в дополнительном проточном холодильнике.
2. По жидкости. Охладившаяся флегма «верхних этажей», капая с холодильника, отбирается через наклонные плоскости или отстойник.
3. По пару. Часть пара поднимается вверх, к Димроту, а часть устремляется к дополнительному холодильнику, где конденсируется. Обеспечивается стабильное флегмовое число, не изменяемое в течении всего времени перегонки.

Дополнительный холодильник

Несет вспомогательную функцию.

Что делает:

• доохлаждает получившийся продукт,
• осаждает случайно попавшие пары,
• охлаждает готовый продукт.

Подробнее о том, что из себя представляет ректификационная колонна, и каков принцип её работы, вы узнаете из этого видео:

Выбор конструкции

Размеры и конструкция аппарата зависит от ряда факторов:

1. Требуемая производительность. при большей производительности царга с набивкой будет выше и шире — пара проходит больше. Охладитель и узел отбора также должны обеспечить достаточную эффективность. Минимальная длина царги — 1.5 метра, лучше сделать ее разборной из трех колен — 1 метр, 0.2 метра, 0.5 метра. это позволит использовать аппарат как для дистилляции, так и для ректификации.
2. Возможные размеры. Часто домашние ректификационные колонны ограничены в размерах из-за высоты потолка. Сэкономить место поможет смещение холодильника димрота в верхней части аппарата, или размещение его перпендикулярно царге (молот Тора).
3. Доступ к технологиям металлообработки. Аппарат из нержавеющей стали прослужит долго и не будет окислять спирт, но для соединения деталей потребуется аргоновая сварка или электроды по нержавейке. Варить нержавейку сложно. При возможности можно применять лабораторное термостойкое стекло, но оно слишком хрупкое. Отличный вариант для самодельщика — медь. Она легко паяется газовой горелкой, в продаже есть большое количество
4. Объем заправляемого сырья. Чем больше применяемый куб, тем выше должна быть производительность. Испарение спирта происходит при 75 — 80 °С, снижение температуры снизит скорость процесса.
5. Бюджет. При минимальном бюджете рассматривать надо простую, но эффективную конструкцию с механическими регулировками. Если бюджет не стеснен, аппарат дополняется точными игольчатыми кранами, дополнительными узлами и автоматикой управления.

Для домашнего дистиллирования наиболее простой будет колонна с кубом до 50 литров со встроенными ТЭНами мощностью 3 Квт. Диаметр колонны 32 мм, узел отбора по жидкости по мотивам конструкции Алекса Бокакобы, холодильник Димрота, вставленный выше узла отбора.

Дополнительный охладитель не нужен, вместо него отлично служит пластиковая трубка длиной 1.5 метра, охлаждаемая воздухом. В качестве насадки можно использовать насадку Панченко, СПН или металлические нержавеющие мочалки для посуды. Все соединения производятся на недорогие сантехнические резьбовые соединения.

Оптимальные расчеты

Расчет колонны начинается с определения следующих параметров:

1. Возможная высота. Практика показывает, что для домашнего аппарата оптимальной будет высота в 1.5 — 2 метра. Если в роли нагревателя используется газовая плита, высота царги будет 1.2 — 1.5 метра. Диаметр зависит от высоты, среднее соотношение — 1/50. К примеру, царга 1.5 метра должна быть не больше 32 мм. (округляем до стандартных труб).
2. Мощность ТЭНа или нагревателя. Царга 1.5 метра будет иметь производительность примерно 300 мл/час, что соответствует 300 ватт мощности ТЭНа. Мощность нагревателя должна быть достаточной для нагрева до 70 °С объема браги в течении 1 часа, а также иметь возможность оптимального регулирования.
3. Объем куба. Это утепленная емкость с удобным размером, транспортабельная. Для экономии высоты помещения диаметр и высота должны быть примерно одинаковыми. От объема куба зависит количество нагретых паров. Для домашнего использования удобны кеги из-под пива 25, 30, 50 литров. Алюминиевые бидоны или бачки лучше не использовать — алюминий быстро корродирует.
4. Мощность охладителей. Охладитель должен полностью справляться с конденсированием паров при минимальном протоке воды. Точной формулы расчета мощности охладителя не существует, количество витков и длина подбирается опытным путем. Для нашей конструкции вполне достаточно 30 сантиметров плотно навитой спирали из трубки 6 мм. Лучше изготовить холодильник с запасом мощности и регулировать скоростью подачи холодной воды.

Как сделать из фитинговой сантехники в домашних условиях?

Действия следующие:

• Закупаем материалы — 2 метра трубы 32 мм из меди; олово для пайки; 15 см медной трубки диаметром 8 мм, 2 метра трубки 6 мм; игольчатый кран, пластиковый шланг диаметром 8 мм. Приобретаем готовую насадку или заменитель — керамический гравий, металлическая мочалка. Наиболее простые соединители — клампы или латунная резьба.
• Делаем царгу. Делим трубу на отрезки 1 метр, 0.3 метра, 0.5 метра. Отрезок 10 сантиметров припаиваем к крышке куба, вставляем сеточку для задержки насадки. На каждый стык припаиваем кламповое соединение или сантехническую резьбу из меди или латуни.

• Собираем узел отбора по мотивам Алекса Бокакоба. На трубке длиной 0.3 метра ближе к нижнему краю делаем два угловых пропила под 30 — 40 градусов. В пропилы вставляем пластинки из меди, обрезаем и запаиваем. Сверлим отверстие для трубки отбора жидкости, отверстие должно находиться внизу «кармашка» нижней пластинки. На трубку отбора припаиваем резьбу для игольчатого крана, который будет регулировать отбор. Сбоку и чуть выше отверстия отбора вставляем трубку «прямотока». Он нужен, чтобы контролировать флегмовое число. Прямоток проводит флегму из «кармашка» отбора ниже, флегма капает в центр насадки. Средняя часть прямотока выполнена из прозрачной пластиковой трубки.

• Собираем охладитель , для чего плотно навиваем медную трубку, набитую песком на штырь диаметром 12 мм. Штырь извлекается, песок вытряхивается и выдувается. Получается спираль, один конец которой нужно продеть внутрь. Начало и конец трубки продевается в латунный «стаканчик» с резьбой и запаиваются — это пробка. Получившийся холодильник вставляется выше узла отбора, капающая флегма собирается наклонными плоскостями.

• Перед применением засыпаем насадку в царгу. Насадка не должна плотно закупоривать трубу, пар должен свободно проходить через нее.

• При желании можно сделать проточный доохладитель. Он состоит из двух трубок, диаметром 10 и 12 мм. Длина тонкой трубки на 3 см. короче, чем толстой. Трубки вставляются одна в другую и торцы запаиваются. К толстой трубке припаиваются вход и выход холодной воды.

Колонна собрана и готова к использованию. Перед применением детали лучше промыть слабым раствором уксусной кислоты при помощи ершика.

Посмотрите видео, в котором показано, как собрать ректификационную колонну своими руками:

Режимы работы

Режимы следующие:

1. Нагрев браги до 72 -75 °С. Охладитель Димрота работает с минимальной мощностью.
2. Прогрев колонны и выстраивание «этажей» конденсации флегмы. На протяжении всей колонны идет активный барботаж и паромассообмен. Важно не допустить перенасыщения колонны, иначе будет «захлеб» — флегма закупорит весь диаметр царги. Подбираем мощность нагревателей так, чтобы возле узла отбора температура была 71 — 75 °С.
3. Начало отбора. При отборе по жидкости неизбежно нарушается стройная пирамида в царге, поэтому флегмовое число нужно будет корректировать. Плотность пара постепенно падает, инстенсивность отбора также. Первая отобранная жидкость — «головы» — содержат летучие эфирные составляющие. Объем голов доходит до 20 % от планируемого содержания спирта.
4. Отбор основного товарного спирта идет до появления запаха сивушных масел.
5. При желании вытянуть из сырья все возможное , вытягиваем «хвосты» — последнюю часть спиртсодержащих паров. В них большое количество сивушных масел, хвосты смешиваются в «головами» и применяются при дальнейших ректификациях.
6. Завершение ректификации — выключение нагревателя, остывание труб.

Весь цикл в в зависимости от желаемого качества продукции может продолжаться сравнительно долго — от 8 часов до 2 суток.

Средняя производительность собранной нами колонны — 250-300 мл. 96° спирта в час.

Нужно ли проектировать оборудование?

Процесс расчета, сборки и испытаний самодельного оборудования приносит огромное удовольствие. Результат после правок и доработок будет гарантирован. Однако первые трудности или неудачи способны остудить пыл начинающих ректификаторов.

В итоге самостоятельного конструирования на результат влияют даже незначительные нюансы — плотность набивки, угол наклона, диаметр трубок Димрота… В случае, если нужен быстрый и гарантированный результат — лучше приобрести готовый аппарат от производителя. При покупке важно знать устройство, продуктивность и назначение аппарата, чтобы не купить подделку или неэффективный прибор.

Многоколпачковая тарелка с круглыми колпаками - наиболее распространенная (рис. 7.68). Она имеет металлическое полотно с отверстиями для паровых патрубков, которые прикреплены к полотну.

Над патрубками устанавливаются колпачки, чаще всего диаметром 60 и 80мм. Колпачки имеют прорези высотой 15, 20 или 30мм Для создания необходимого уровня жидкости используют переливные трубки, которые располагаются по диаметру, или сегментные переливные перегородки. Прорези колпачков должны быть погружены в жидкость, потому переливные трубки и перегородки выступают над тарелкой на определенную высоту. Пар поступает через паровой патрубок, проходит через прорези и барботирует сквозь слой жидкости. При взаимодействии пара и жидкости образуется мелкопористая пена и проходит обмен компонентами между фазами. На тарелке имеет место перекрестное течение жидкости и пара. Эти тарелки принадлежат к группе барботажных контактных устройств. Жидкость перетекает вниз из тарелки на тарелку через переливные устройства (стаканы). Навстречу снизу вверх проходит пар.

Колпачковые контактные устройства имеют широкий интервал устойчивой работы, относительно высокий коэффициент полезного действия (0,5-0,7), но имеют большое гидравлическое сопротивление и могут использоваться для переработки чистой жидкости. Недостатком также является значительная металлоемкость и сложность изготовления.

Одноколпачковая тарелка работает аналогично многоколпачковой. Одноколпачковые тарелки хорошо работают в колоннах малого диаметра. С увеличением диаметра эффективность их работы уменьшается.

Многоколпачковые тарелки используются в колоннах брагоректификационных установок: эпюрационных, спиртовых, сивушных, конечной очистки. Используют их также в концентрационной части брагоперегонных установок для получения спирта-сырца. В современных установках эпюрационные колонны имеют 39-40 многоколпачковых тарелок, а спиртовые 71 - 74.

Бражные колонны брагоректификационной установки и истощающая часть колонны брагоперегонной установки оснащены одноколпачковыми тарелками. Они могут использоваться для перегонки бражки и других жидкостей, которые содержат суспендированные твердые частицы.

Сетчатая тарелка является одним из самых простых тарельчатых контактных устройств (рис. 7.69.). Это перфорированный металлический диск с отверстиями диаметром 2-12 мм, которые размещаются на плоскости тарелки по вершинам равносторонних треугольников. Тарелка укрепляется горизонтально в колонне. Для поддержания определенного уровня жидкости в колоннах малого диаметра применяются переливные трубки, нижние концы которых погружены в сплошные стаканы. В колоннах большего диаметра используют сегментные переливные перегородки. Пар, который поднимается в колонне, проходит сквозь отверстия тарелки и распределяется в слое жидкости в виде пузырьков и струек. При этом происходит массообмен между фазами. Сетчатые тарелки имеют большее свободное сечение (плоскость отверстий), чем колпачковые, потому производительность их по пару на 30-40 % превышает колпачковые. Уровень жидкости на тарелке поддерживается определенным давлением в колонне. При уменьшении давления жидкость может протечь через отверстия по всей плоскости тарелки или отдельных ее частях, что ухудшает массообмен. Это может произойти также при неточном установлении (перекосе) тарелок.

Сетчатые тарелки эффективны, просты в изготовлении, имеют малую металлоемкость, но нуждаются в точном горизонтальном монтаже.

Сетчатые тарелки применяются в бражных колоннах большого диаметра (> 1400 мм).

Провальные контактные тарелки .В этих тарелках пар и жидкость проходят через одни и те же отверстия, потому они имеют больше, чем сетчатые, свободное сечение (12-20 %). Эти конструкции не нуждаются в переливных устройствах и имеют большую рабочую площадь.

Решетчатые провальные тарелки изготовляются из стальных или медных листов толщиной 3-5 мм. Щели штампуются или фрезеруются шириной 2-6 мм и длиной 60-200 мм. На соседних тарелках щели располагаются взаимно перпендикулярно. Такие тарелки просты по конструкции, их пропускная способность по жидкости больше чем в сетчатых, но они имеют узкий диапазон стабильной работы. Решетчатые провальные тарелки рекомендуется использовать в бражных колоннах.

Чешуеобразная тарелка (рис. 7.70) изготавливается из металлического листа, в котором в шахматном порядке штампуется арочная чешуя. Угол наклона составляет 15-20°. Изменение свободного сечения тарелки (рекомендуется 8-15 %) достигается изменением количества чешуек. Тарелка имеет утопленные приемные и сливные сегменты. К сливному сегменту прикреплена переливная труба. Поток пара, который перемещается в колонне, изменяет направление движения при прохождении через чешую, прорези которой направлены в сторону движения жидкости. Направленный паровой поток увеличивает скорость жидкости, которая перемещается с подъемом в сторону слива. В рабочем струйном режиме пар интенсивно турбулизирует жидкостной поток, значительная часть парожидкостной смеси поднимается над тарелкой и двигается в межтарельчатом пространстве. Чешуеобразные тарелки работают при высоких скоростях пара и незначительном брызговыносе, имеют высокую эффективность (КПД 0.5-0.7) .

Этот тип тарелок рекомендуется применять в бражных колоннах диаметром больше 1,4 м при перегонке бражки из измельченного зерно-картофельного сырья. Бражная колонна с чешуеобразными тарелками характеризуется широким диапазоном стабильной работы, большей на 20-40 % производительностью сравнительно с типичными бражными колоннами, способствует улучшению качества спирта.

Клапанные тарелки . Металлическое плоское полотно тарелки имеет круглые или квадратные отверстия, которые закрыты клапанами. Соответственно изготовляют дисковые и прямоугольные клапаны (рис. 7.71). При перемещении в колонне пара снизу вверх клапаны немного поднимаются, пар проходит сквозь прорез, который образовался, и контактирует с жидкостью, которая находится на тарелке. С увеличением количества пара клапан поднимается выше. Проходное сечение увеличивается, а скорость движения пара не меняется. Высота подъема клапана составляет 6-8 мм и ограничивается кронштейном-ограничителем. Клапанные тарелки оснащены также переливными устройствами и могут работать в режимах с перекрестным и прямоточным взаимодействием фаз. В последнем случае клапаны имеют ограничители разной длины.

На современном этапе клапанными тарелками оснащают бражные и эпюрационные колонны. В ректификационных установках для переработки вторичного сырья виноделия и дистилляции масляных мисцел используют вихревые контактные устройства.

Тарельчатые колонны для дистилляции имеют небольшую укрепляющую способность и традиционно используются при производстве виски, коньяка и других благородных напитков. Небольшое количество тарелок позволяет сохранить органолептику сырья при высокой стабильности и производительности аппарата.

Материал

Медные тарельчатые колонны со смотровыми окнами из-за своей похожести называют флейтами, а изготовленные в корпусе из стекла – хрустальными. Понятно, что эти названия всего лишь маркетинговый ход и к самой конструкции не имеют отношения.

Медь – материал недешёвый, поэтому и подход к его обработке тщательный. Медная флейта от ведущих производителей – произведение искусства и предмет их гордости. Стоимость изделия может составлять абсолютно любую сумму, которую готов потратить покупатель.

Ненамного дешевле флейты в корпусе из нержавеющей стали, а самый бюджетный вариант – в корпусе из стекла.

Конструктивные особенности и виды тарельчатых колонн

Наибольшее распространение получили модульные конструкции колонн на базе тройников-отводов или цилиндров из боросиликатного стекла. Естественно, это большое количество лишних соединительных деталей и завышенная стоимость.

Более простой вариант представляет собой готовые блоки на 5-10 тарелок. Здесь выбор шире, а цена умеренней. Как правило, этот вариант изготавливают в стеклянных корпусах.

Есть и совсем бюджетные варианты – просто вставки для существующих царг.

Их можно набирать из комплектующих в любом требуемом количестве.

Конструкция может быть разной, но если такие тарельчатые колонны применять с металлическими колбами, теряется наглядность процесса. Намного труднее понять, в каком режиме работает колонна, а для работы с тарелками это очень важно.

Для герметизации каждого этажа применяют простые силиконовые диски.

Естественно, это менее надежно, чем уплотнительные прокладки в модульных конструкциях, но в целом работают неплохо.

Как альтернатива существует упрощенная модульная конструкция, где каждый этаж собирается из простых и недорогих деталей, а вся конструкция стягивается воедино шпильками.

Преимуществом модульных колонн является в первую очередь их ремонтопригодность и открытость для модификаций. Например, легко дополнить колонну на нужном уровне узлом промежуточного отбора фракций и штуцером под термометр. Стоит всего лишь поменять тарелку.

Более дешевым вариантом являются колонны с ситчатыми тарелками. Это не означает, что качество продукта с их использованием будет хуже. Но они требуют более точного управления.

Еще более дешевы провальные тарелки, но их рабочий диапазон очень узок, поэтому нужно быть готовым к точному управлению нагревом источниками со стабилизированной мощностью. В основном провальные тарелки используют на НБК.

Наиболее распространенный материал для изготовления тарелок – медь, нержавейка и фторопласт. Возможно их любое сочетание. Медь и нержавейка материалы привычные, фторопласт – один из самых инертных материалов, сравнимый с платиной. Но вот его смачиваемость плохая.

Если сравнивать фторопластовую тарелку с нержавеющей, то она будет намного быстрее затапливаться.

Количество тарелок в колонне как правило ограничивают 5 для получения дистиллятов крепостью 88-92% и 10 для очищенных дистиллятов с укреплением до 94-95%.

Модульные колонны позволяют сделать набор нужного количества тарелок из различного материала.

Разница между насадочной и тарельчатой колонной

«У меня есть насадочная колонна, нужна ли мне тарельчатая?» – этот вопрос рано или поздно становится перед каждым винокуром. Обе колонны реализуют технологию тепломассообмена, но в их работе есть существенные отличия.

Количество ступеней укрепления

Насадочная колонна работает в режиме максимального разделения на предзахлебной мощности. Регулируя флегмовое число, можно менять количество теоретических тарелок в широком диапазоне: от нуля до бесконечности (при полностью отключенном дефлегматоре и работе колонны на себя).

Тарельчатой колонне характерно конструктивно заданное количество ступеней разделения. Одна физическая тарелка имеет КПД от 40 до 70 %. Другими словами, две физические тарелки дают одну ступень разделения (укрепления, теоретическую тарелку). В зависимости от режима работы КПД меняется не на столько, чтобы существенно повилять на количество ступеней.

Удерживающая способность

Насадочная колонна со своей малой удерживающей способностью позволяет хорошо очищать дистиллят от головной фракции и как-то сдерживать хвостовую.

Тарельчатая колонна имеет на порядок большую удерживающую способность. Это мешает ей сделать такую жесткую очистку от «голов», но позволяет прекрасно сдержать хвосты. То есть выровнять дистиллят по химическому составу. При этом чем больше нужно очистить дистиллят от примесей, тем больше тарелок требуется поставить. Простая задача, решаемая практически. Один раз нашел для себя оптимальное количество тарелок и больше не думаешь об этом.

Чувствительность к управляющим воздействиям

Насадочная колонна очень чувствительна к перепаду давления воды в дефлегматоре или изменению мощности нагрева. Небольшое их изменение приводит к изменению количества ступеней укрепления в разы или даже в десятки раз.

КПД тарелок может поменяться максимум в 1,5 раза, да и то при очень большом и целевом изменении этих параметров. Можно считать, что настроенная тарельчатая колонна, с точки зрения разделяющей способности, практически не будет реагировать на обычные небольшие перепады давления воды или напряжения.

Производительность

Производительность насадочной колонны в основном зависит от её диаметра. Оптимальным диаметром для современных насадок является 40-50 мм, при дальнейшем увеличении диаметра стабильность процессов падает. Начинают проявлять себя пристеночные эффекты и каналообразование. Тарельчатые колонны такими слабостями не страдают. Их диаметр и производительность можно увеличивать до любого необходимого значения. Лишь бы хватило мощности нагрева.

Технологические особенности получения ароматных дистиллятов

При использовании насадочных колонн для ограничения степени укрепления мы вынуждены применять более короткие царги и более крупную насадку. Иначе эфиры, дающие основную вкусоароматику дистилляту, создадут с примесями головной фракции азеотропы, затем быстро вылетят из куба. Отбор «голов» производим коротко, «тело» — на повышенной скорости. Что касается «хвостов», то малое количество насадки и короткая царга не дает полностью сдержать сивуху. К отбору хвостовых фракций приходится переходить раньше или работать с малыми кубовыми навалками.

Тарельчатая колонна имеет сравнительно большую удерживающую способность, поэтому с удержанием сивухи вопросов нет. Для отбора «голов» и «тела» 5-10 физических тарелок дают 3-5 ступеней укрепления. Это позволяет проводить перегон по правилам обычной дистилляции. Спокойно, без риска лишить дистиллят аромата, отбирать «головы», а при сборе «тела» не задумываться о преждевременном подходе «хвостов». Запотевание на нижних тарелках в конце отбора наглядно даст знать о необходимости поменять тару. Степень очистки можно задать, изменяя количество тарелок.

Пяти или десяти тарелок недостаточно, чтобы по степени очистки приблизиться к спирту, но попасть в требования ГОСТ по дистилляту реально.

Использование тарельчатых колонн при перегонке фруктового или зернового сырья особенно для дальнейшей выдержки в бочках значительно упрощает жизнь винокуру.

Основы выбора конструктивных размеров тарелок для колонны

Рассмотрим конструкции самых распространенных для бытовых целей тарелок.

Провальная тарелка

По своей сути это просто пластина с отверстиями, которые могут быть круглыми, прямоугольными, и т.д.

Флегма стекает в относительно крупные отверстия навстречу пару, что определяет главный недостаток провальных тарелок – необходимость точного регулирования заданного режима.

Небольшое уменьшение мощности нагрева приводит к тому, что вся флегма проваливается в куб, а увеличение мощности запирает флегму на тарелке и приводит к захлебу. Эти тарелки могут удовлетворительно работать в сравнительно узком диапазоне изменения нагрузок, где они вполне конкурентоспособны.

Простота конструкции и высокая производительность провальных тарелок, наряду с привычным в домашнем винокурении нагревом ТЭНами со стабилизированным по напряжению источником питания, привела к их широкому применению для непрерывных бражных колонн (НБК), что в сочетании с корпусом из боросиликатного или кварцевого стекла, делает настройку колонны простой и наглядной.

Для расчета количества и диаметра отверстий исходят из условия обеспечения барботажа. Экспериментально определено, что суммарная площадь отверстий должна быть равной 15-30% от площади тарелки (сечения трубы). В общем случае для БК периодического действия базовый диаметр отверстий порядка 9-10% от диаметра колонны позволяет попасть в рабочую зону.

Диаметр отверстий провальных тарелок для НБК подбирают, исходя из свойств сырья. Если при перегонке сахарной браги и вина достаточно отверстий диаметром 5-6 мм, то при перегонке мучных заторов диаметр отверстий 7-8 мм предпочтительнее. Впрочем, тарелки для НБК имеют свои особенности расчета, поскольку плотность паров по высоте колонны значительно меняется, то размеры необходимо просчитывать для каждой тарелки отдельно, иначе их работа будет далека от оптимальной.

Ситчатая тарелка с переливом

Если диаметры отверстий провальной тарелки сделать менее 3 мм, то уже при относительно небольшой мощности флегма будет запираться на тарелке и без дополнительных устройств перелива будет происходить её затопление. Но оборудованная такими устройствами ситчатая тарелка существенно расширяет свой рабочий диапазон.

Схема устройства ситчатой колонны:
1 – корпус; 2 – ситчатая тарелка; 3 – переливная трубка; 4- стакан

С помощью переливных устройств на этих тарелках задается максимальный уровень флегмы, что позволяет избежать раннего затопления и более уверенно работать с высокой нагрузкой по пару. Это не мешает флегме при выключении нагрева полностью слиться в куб и перезапускать колонну придется с нуля, как и обычно для всех провальных тарелок.

При упрощенном расчете таких тарелок исходят из следующих соотношений:

• суммарная площадь отверстий 7-15% от площади сечения трубы;
• соотношение между диаметрами отверстий и шагом между ними около 3,5;
• диаметр сливных трубок примерно 20% от диаметра тарелки.

В сливных отверстиях обязательно ставятся гидрозатворы, чтобы избежать прорыва пара. Ситчатые тарелки нужно устанавливать строго горизонтально для прохождения пара сквозь все отверстия и во избежание стекания флегмы сквозь них.

Колпачковые тарелки

Если вместо отверстий в тарелках сделать паропроводные трубки высотой больше, чем сливные трубки, и накрыть их колпачками с прорезями, то получим совершенно новое качество. Эти тарелки при отключении нагрева не сольют флегму. Разделенная по фракциям флегма останется на тарелках. Поэтому для продолжения работы достаточно будет включить нагрев.

Кроме того, такие тарелки имеют конструктивно закрепленный слой флегмы на поверхности, они работают в более широком диапазоне мощностей нагрева (нагрузок по пару) и изменениях флегмового числа (от полного отсутствия до полного возврата флегмы).

Немаловажно и то, что колпачковые тарелки имеют относительно высокий КПД – порядка 0,6-0,7. Все это, наряду с эстетичностью процесса, и определяет популярность колпачковых тарелок.

При расчете конструктива исходят из следующих пропорций:

• площадь паровых трубок -порядка 10% от сечения колонны;
• площадь прорезей – 70-80% от площади паровых трубок;
• площадь слива 1/3 от суммарной площади паровых трубок (диаметр примерно 18-20% от диаметра сечения трубы);
• нижние тарелки проектируют с большим уровнем флегмы и большим сечением прорезей для того, чтобы они работали как удерживающие;
• верхние тарелки изготавливают с меньшим уровнем флегмы и сечением прорезей для того, чтобы они работали как разделяющие.

Исходя из графиков, приведенных у Стабникова, видим, что при слое флегмы в 12 мм (2 кривая) максимальный КПД достигается при скорости пара порядка 0,3-0,4 м/с.

Для колонны в 2” с внутренним диаметром 48 мм необходимая полезная мощность нагрева составит:

N = V * S / 750;

• V – скорость пара в м/с;
• N – мощность в кВт, S – площадь сечения колонны в мм².

N = 0,3 * 1808 / 750 = 0,72 кВт.

Можно подумать, что 0,72 кВт определяют небольшую производительность. Возможно, с учетом доступной мощности стоит увеличить диаметр колонны? Наверно, это правильно. Распространенные диаметры кварцевых стёкол для диоптров – 80, 108 мм. Возьмем 80 мм с толщиной стенки 4 мм, внутренний диаметр 72 мм, площадь сечения 4069 мм². Пересчитаем мощность – получим 1,62 кВт. Ну уже получше, для домашней газовой плиты подходит.

Выбрав диаметр колонны и расчетную мощность, определим высоту переливной трубочки и расстояние между тарелками. Для этого воспользуемся следующим уравнением:

V = (0,305 * H / (60 + 0,05 * H)) — 0,012 * Z (м/с);

• H – расстояние между тарелками;
• Z – высота трубочки перелива (т.е. толщина слоя флегмы на тарелке).

Скорость пара 0,3 м/с, высота тарелки не должна быть меньше её диаметра. Для нижних тарелок высота слоя флегмы побольше. Для верхних поменьше.

Рассчитаем наиболее близкие варианты сочетаний высот тарелок и перелива, мм: 90-11; 100-14; 110-18; 120-21. С учетом того, что стандартное стекло имеет высоту 100 мм, для модульной конструкции выбираем пару 100-14 мм. Естественно, это всего лишь наш выбор. Можно взять и больше, тогда лучше будет защита от брызгоуноса с увеличением мощности.

Если конструкция не модульная, то простора для творчества больше. Можно сделать нижние тарелки с большей удерживающей способностью 100-14, а верхнюю с большей разделительной – 90-11.

Колпачки выбираем из стандартных и доступных размеров. Например, заглушки для медной трубы 28 мм, паровые трубы – труба 22 мм. Высота паровой трубки должна быть больше, чем у переливной, скажем 17 мм. Зазоры для прохода пара между колпачком и паровой трубой должны иметь большую площадь сечения, чем у паровой трубы.

Прорези для прохождения пара в каждом колпачке обязательно площадью сечения порядка 0,75 от площади паровой трубы. Форма прорезей особой роли не играет, но их лучше выполнять максимально узкими, чтобы пар разбивался на более мелкие пузырьки. Это увеличивает площадь соприкосновения фаз. Увеличение количества колпачков так же идет на пользу процессу.

Режимы работы колонны тарельчатого типа

Любые барботажные колонны могут работать в нескольких режимах. При малых скоростях пара (малой мощности нагрева) возникает пузырьковый режим. Пар в виде пузырьков движется сквозь слой флегмы. Поверхность контакта фаз минимальна. При повышении скорости пара (мощности нагрева) отдельные пузырьки на выходе из прорезей сливаются в сплошную струю, а через небольшие расстояния из-за сопротивления барботажного слоя, струя распадается на множество мелких пузырьков. Образуется обильный пенный слой. Зона контакта – максимальна. Это пенный режим.

Если продолжить повышать скорость подачи пара, то длинна струй пара увеличивается, и они выходят на поверхность барботажного слоя не разрушаясь, образуя большое количество брызг. Площадь контакта снижается, эффективность тарелки падает. Это струйный или инжекционный режим.

Переход от одного режима к другому не имеет четких границ. Поэтому даже при расчете промышленных колонн определяют только скорости пара по нижнему и верхнему пределу работы. Рабочую же скорость (мощность нагрева) просто выбирают в этом диапазоне. Для домашних же колонн проводится упрощенный расчет на некую среднюю мощность нагрева, чтобы осталась возможность для регулировок в процессе работы.

Желающим провести более точные расчеты можно порекомендовать книгу А.Г. Касаткина «Основные процессы и аппараты химической промышленности».

P. S. Вышеизложенное не является полноценной методикой, позволяющей рассчитать оптимальные размеры каждой тарелки применительно к любому конкретному случаю и не претендует на точность или наукообразность. Но всё же этого достаточно, чтобы сделать рабочую тарельчатую колонну своими руками или разобраться в достоинствах и недостатках колонн, предлагаемых на рынке.