УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА КОНЬЯЧНЫХ СПИРТОВ

Коньячные спирты получают из белых виноматериалов путем дистилляции на перегонных установках. К коньячным спиртам предъявляют определенные требования, поэтому технология их получения должна быть основана на возможном исключении ректификации (сложной перегонки). Спирт должен быть получен простой перегонкой и простой дефлегмацией.

Устройство и принцип действия перегонных установок. Основное специфическое оборудование коньячного производства — дистил- ляционные установки, которые подразделяют на установки периодического и непрерывного действия.

На рис. 3.11 приведены принципиальные схемы установок для получения коньячного спирта, охватывающие все разнообразие их конструкций и дающие о них наглядное представление. Некоторые из этих установок, наиболее распространенные в промышленности, будут рассмотрены ниже.

Установка тарантского типа УПКС (рис. 3.11, а). Относится к установкам двойной сгонки: на ней сначала получают спирт-сырец, который вторично перегоняют с разделением на фракции — головную (1...3%), среднюю (коньячный спирт) (85...92%) и хвостовую (до 10%).

Установка однократной (прямой) сгонки КУ-500 (старое обозначение ПУ-500) (рис. 3.11, б). Благодаря специальным дефлегмаци-

Принципиальные схемы установок для получения коньячного спирта

Рис. 3.11. Принципиальные схемы установок для получения коньячного спирта:

а — тарантского типа УПКС; б — однократной сгонки ПУ-500; в — К-5; г—К-5М; д — с промежуточным отбором фракции из укрепляющей колонны: е — сырцовая брагоректификационная: ж — двухколонная с эпюрацией крепкого спиртопродукта; з — с разделительным отбором фракций коньячного спирта: 1 — куб: 2 — шаровой воздушный дефлегматор: 3 — холодильник-конденсатор; 4 — дефлегматор с водяным охлаждением; 5 — перегонная колонна; 6 — конденсатор; 7 — перегреватель;

8 — охладитель перегретого вина; 9 — эпюрационная колонна; Б — барда;

В — виноматериал; Г — головной погон; Д — дистиллят; С — спирт-сырец;

К — коньячный спирт; X — хвостовая фракция; П — греющий пар; О — охлаждающая

вода; Ф — флегма

онным устройствам фракционирование в установке производится непосредственно при перегонке виноматериалов, что приводит к сокращению промежуточной операции — получения спирта-сырца.

Установка работает следующим образом. Виноматериал, подогретый до 65...70 °С с помощью отработавших горячих вод из дефлегматора, поступает в перегонный куб, где доводится до кипения паром.

Спиртовые пары, образовавшиеся в перегонном кубе, барботи- руются через флегму в четырех кипятильных тарелках укрепляющей колонны, затем поступают в межгрубчатое пространство дефлегматора.

Охлажденная вода поступает в трубчатое пространство дефлегматора, где нагревается до 85...90 °С и направляется для подогрева новой порции виноматериала.

Часть флегмы, образовавшейся в дефлегматоре, возвращается на верхнюю тарелку укрепляющей колонны. Пар, приходя в контакт с флегмой, конденсируется. При конденсации жидкая фаза обогащается нижекипящим компонентом (спиртом). За счет теплоты конденсации испаряется жидкость на тарелке.

Выделяющийся пар будет содержать еще больший процент нижеки- пящего компонента, чем пар, который сконденсировался на тарелке. Аналогичные процессы массообмена в направлении укрепления водноспиртовых паров происходят и на других тарелках колонны.

Другая часть флегмы из дефлегматора направляется в холодильник и, конденсируясь, поступает в сборник (на рис. 3.11 не показан).

При сборе средней фракции наилучший режим дефлегмации — при флегмовом числе 1,0... 1,3. Хвостовая фракция отделяется при умеренной подаче пара в змеевики нагрева и меньшем флегмовом числе.

После окончания процесса перегонки кубовые остатки (барда) направляются для изготовления тартрата кальция.

Установка ВУФ. К установкам однократной сгонки относится и установка ВУФ, применяемая на ряде предприятий отрасли.

Установка К-5. В установке непрерывного действия К-5 (рис. 3.11, в), разработанной в Болгарии, две простые перегонки воспроизводятся в потоке путем отгонки этанола (этилового спирта) и летучих примесей в специальной тарельчатой колонне с последующим укреплением спиртовых паров до кондиций коньячного спирта в двух дефлегматорах. Коньячный спирт в этом случае не разделяется по фракциям.

Выварная колонна установки диаметром 640 мм и высотой 958 мм снабжена 14 одноколпачковыми тарелками, расположенными на расстоянии 237 мм одна от другой.

Установка имеет ряд недостатков, в частности в ней не обеспечиваются благоприятные условия для обогащения коньячного спирта летучими примесями. В принципе этот недостаток присущ и другим установкам непрерывного действия. По другим показателям (производительность, экономичность и пр.) установка К-5 достаточно удачная.

Установка К-5М. В этой установке, разработанной в Молдове, для очистки коньячного спирта от головных примесей предусмотрена эпюрационная колонна (рис. 3.11, г), работающая по принципу обратного холодильника. Перед поступлением вина в эпюрационную колонну его температура снижается до температуры кипения за счет возврата части теплоты виноматериалу, поступающему на перегонку. Диаметр колонны 640 мм, число тарелок в выварной колонне 3, в концентрационной — 4. В конденсаторе эпюрационной колонны предусмотрен отбор дистиллята в количестве 1...5% в пересчете на безводный спирт, поступающий с перегоняемой жидкостью. С этим дистиллятом (головная фракция) отбирается и часть сконцентрированных летучих примесей вина, избыточное количество которых в коньячном спирте ухудшает его качество. После освобождения от головных примесей виноматериал подвергается дальнейшей дистилляции с целью получения коньячного спирта.

Установка дополнительно оборудована перегревателем вина и кубом для задержки барды в кипящем состоянии, чтобы обеспечить новообразование летучих веществ. Процесс укрепления спиртовых паров до кондиций коньячного спирта основан на том же принципе, что и в установке К-5.

Выварная колонна установки К-5М диаметром 640 мм и высотой 958 мм снабжена 16 одноколпачковыми тарелками, расположенными на расстоянии 320 мм одна от другой.

Установка с промежуточным отбором фракций. Укрепление спиртовых паров до кондиций коньячного спирта осуществляют также в установках с тарельчатыми колоннами с промежуточным отбором фракций (рис. 3.11, д). В этом случае головная, средняя (коньячный спирт) и хвостовая фракции отбираются с промежуточных тарелок укрепляющей колонны, а коньячный спирт укрепляется. На этой установке также предусмотрены условия для образования летучих веществ путем перегрева виноматериала в специальной емкости и задержки кипящей барды в кубе.

Установка сырцовая брагоректификационная. Она создана на базе брагоперегонных аппаратов, применяемых в спиртовой промышленности и при переработке вторичного сырья в виноделии (см. гл. 6). В установках такого типа (рис. 3.11, е) в единый процесс непрерывной перегонки объединено до 15 простых перегонок, осуществляемых в укрепляющих колоннах с большим числом тарелок. В зависимости от условий перегонки с промежуточных тарелок укрепляющей колонны такого аппарата могут быть отобраны коньячный спирт и головная фракция, спирт-сырец, эфироальдегидная фракция, этанол и сивушное масло. Однако подобные установки не обеспечивают получения коньячного спирта требуемого состава, поскольку в зоне его отбора при постоянной крепости исходной жидкости в дистиллят будут переходить летучие примеси, количество которых ограничивается постоянной крепостью этанола в зоне отбора.

Кроме установок, воспроизводящих в непрерывном потоке две простые перегонки на одноколонных аппаратах с отгонной и укрепляющей частями, в практике производства коньячного спирта нашли применение двух- и трехколонные аппараты непрерывного действия.

Двухколонная установка непрерывного действия с эпюрацией крепкого спиртопродукта. В первой колонне этой установки (рис. 3.11, ж) происходит укрепление спиртовых паров до кондиций коньячного спирта, во второй — очистка полученного дистиллята от примесей головного характера. Вторая колонна работает по принципу эпюрационной. В этой установке сделана попытка воспроизвести в потоке два цикла простых перегонок, с которыми связан процесс получения коньячного спирта по классической (тарантской) технологии. Однако здесь, как и в предыдущих случаях, предусмотрен отбор основной фракции в одной точке, в которой не могут быть достигнуты условия перегонки, обеспечивающие обогащение дистиллята летучими примесями по мере снижения содержания спирта перегоняемой жидкости.

По такой схеме создана установка ВАНД (базовый вариант). Схема установки в принципе такая же, как и установки К-5М, но включает эпюрапионную колонну Основное отличие установок ВАНД — в наличии вихревых контактных устройств пленочного типа (см. ниже). Установку ВАНД выпускают в различных модификациях: ВАНД-01, ВАНД-02, ВАНД-03 и др.

Схема промышленной установки ВАНД-02 показана на рис. 3.12. Установка предусматривает возможность реализации нескольких

Схема перегонной установки ВАНД-02

Рис. 3.12. Схема перегонной установки ВАНД-02:

  • 7 — перегонная колонна; 2 — подогреватель вина; 3, 4, 6,7,8 — вихревые дефлегматоры; 5 — регулировочный вентиль; 9 — конденсатор-холодильник;
  • 10— обратный конденсатор; 77 —холодильник спирта; 12 — спиртовой фонарь;
  • 13 — эпюрационная (дрожжевая при перегонке дрожжевых осадков) колонна;
  • 74, 77 — теплообменники-испарители; 15 — куб-сепаратор; 16 — водяной коллектор;
  • 18 — теплообменник
  • ?49

технологических процессов: перегонку виноматериала, перегонку виноматериала и дрожжевых осадков, перегонку отходов коньячного и винодельческого производства. В установке ВАНД, как отмечалось, использованы вихревые контактные устройства, создающие взаимодействие фаз при распылении жидкости. Контакт вихревых потоков в эпюрационной колонне протекает при пленочном течении жидкой фазы. По высоте обеих колонн не образуются зоны пригорання виноматериала и концентрирования ценных компонентов. Кроме того, отбор головной фракции осуществляют из парового потока, минуя стадию получения спирта-сырца; дефлегмация парового потока реализуется в особых вихревых дефлегматорах, обладающих высокой разделяющей способностью. В таких дефлегматорах создается радиальное движение паров от периферии к центру трубного пучка; паровой поток вводится тангенциально к корпусу аппарата, распределяется равномерно по периферии, проходит через весь пучок труб и выводится из центра пучка; при этом обеспечивается работа теплопередающих труб по принципу постепенной дефлегмации при турбулентном движении парового потока и эффективность процесса повышается в 2...3 раза.

Производительность (м3/сут) некоторых из перечисленных установок в пересчете на безводный спирт составляет: установки УПКС - 0,16; КУ-500 - 1,0; ВФУ - 2,0; К-5 - 2,8; К-5М - 4,0; ВАНД - 4,0; ВАНД-01 - 6,0; ВАНД-02 - 15,0; ВАНД-03 - 25,0.

Установка непрерывного действия с раздельным отбором фракций. В этой установке (см. рис. 3.11,з) возможно направленное регулирование химического состава получаемого коньячного спирта. В отгонной (первой перегонной) колонне такого аппарата предусмотрен максимальный отбор летучих примесей и этанола. Такой отбор достигается путем вывода спиртовых паров отгонной колонны при различных крепостях перегоняемого виноматериала. Спиртовые пары поступают в эпюрационную колонну, в которой происходит их смешивание. Основная масса паров после смешивания и конденсации отводится в виде жидкости (эпюрата) во вторую перегонную колонну. Меньшая часть (1...5% в пересчете на безводный спирт) образует головную фракцию и отбирается через конденсатор или с промежуточных тарелок концентрационной части эпюрационной колонны. Эпюрат, близкий по своему составу спирту-сырцу, получаемому в аппаратах периодического действия, дистиллируется затем во второй перегонной колонне, в которой осуществляется отбор спиртовых паров в нескольких точках при различной крепости эпюрата. После конденсации спиртовых паров получаемые дистилляты смешиваются. Такое их смешивание обеспечивает обогащение коньячного спирта летучими примесями, переходящими в дистиллят при различной крепости эпюрата. Следовательно, в этом случае, как

и во время перегонки на аппаратах периодического действия, обогащение коньячного спирта летучими веществами происходит по мере снижения крепости спирта-сырца. Таким образом, в этой установке благодаря наличию промежуточных зон отбора дистиллята создаются благоприятные условия для получения коньячных, а также плодовых спиртов регулируемого состава.

О контактных устройствах. Из всего большого разнообразия контактных устройств, применяемых в перегонных установках пищевых и химических производств, в коньячных установках в настоящее время чаще всего применяют колпачковые тарелки (см. гл. 6).

Колпачковые тарелки создают устойчивый гидродинамический режим взаимодействия фаз, просты в управлении и допускают колебания расхода жидкости в относительно широком диапазоне значений. Однако эксплуатация коньячных перегонных установок показала существенные недостатки их конструкции. Гидравлический затвор переливных труб обеспечивается за счет слоя жидкости на тарелке, который создается вставным переливным стаканом. В случае нарушения плотного соединения стакана и переливной трубы, а также при появлении течи в полотне тарелки слой жидкости на тарелке не образуется. Переливные трубы остаются без гидравлического затвора, и в них поступает пар. Прекращается стекание жидкости с вышележащей тарелки. Возникает режим «захлебывания», который распространяется на все вышележащие тарелки. Выход из строя одной тарелки делает неработоспособной всю установку. В случае появления дефекта полотна тарелки устранить неисправность в сезон виноделия не представляется возможным из-за неразборного соединения тарелок с корпусом. В тарелках не предусмотрены дренажные отверстия для стекания жидкости.

В случае остановки перегонного аппарата и прекращения подачи в колонну пара на всех тарелках сохраняется слой жидкости. В жидкости происходит осаждение взвешенных твердых частиц на полотно тарелки. Колонна загрязняется, что сказывается на качестве получаемого продукта. В случае перегонки дрожжевых осадков и сброженной выжимки забивается переливная система и нарушается работа колонны.

Устранение периферийной зоны барботажа на тарелках колонн установок К-5М и КУ-500 привело к появлению значительного байпаса жидкой фазы. Низкая точность установки колпачков на полотне тарелки (± 5 мм) и отсутствие у них боковых прорезей создают неравномерность распределения парового потока по сечению тарелок.

Совокупность этих причин значительно снижает интенсивность массопереноса и, как следствие, производительность колонны. Так, в большинстве случаев производительность установки К-5М в среднем на 30% ниже паспортной.

Следует также отметить особенность одноколпачковых тарелок — накопление большого количества жидкой фазы. В зависимости от режима работы на одной тарелке накапливается от 0,025 до 0,050 м3 жидкости. В исчерпывающей части колонны установки К-5М 16 тарелок накапливают порядка 0,6 м3 жидкой фазы. Такое количество задерживаемой в колонне жидкости приводит к появлению по высоте колонны зон концентрирования (задержки) различных примесей. Изменяется их балансовый переход в паровой поток, снижается качество коньячного спирта.

Перечисленные недостатки колпачковых тарелок привели к разработке и исследованию конструкций пленочных контактных устройств различного типа: насадочных, вихревых, ударно-распылительных. Внедрение в промышленность подтвердило их работоспособность и эффективность.

Так, в установках ВАНД, как отмечалось, применяют вихревые контактные устройства, обеспечивающие взаимодействие пара и вино- материала в закрученном потоке. В одном из вариантов такие контактные устройства представляют собой веерные решетки (рис. 3.13), составленные из пластин. Последние закреплены на неподвижном стержне с наклоном 15...40° и перекрывают одна другую на */3 площади. Их устанавливают в корпусе колонны с определенным сливным зазором для жидкой фазы. Паровой поток, проходя по колонне снизу и испытывая направляющее воздействие пластин, приобретает вращательное

Вихревое контактное устройство

Рис. 3.13. Вихревое контактное устройство:

  • 1 — корпус колонны;
  • 2 — неподвижный стержень;
  • 3 — сливной зазор;
  • 4 — веерные решетки
  • (вихревое) движение относительно оси аппарата и за счет энергии трения приводит во вращение жидкость, стекающую под действием силы тяжести по стенкам колонны. Вращение фаз в аппарате однонаправленное, что позволяет добиться высокой скорости парового потока в свободном сечении аппарата (до 6 м/с). В этом отношении устройства с вращательным движением фаз обладают рядом преимуществ перед колпачковыми барбо- тажными тарелками, которыми укомплектованы все используемые в настоящее время дистилляционные установки непрерывного действия. В барботажных устройствах скорость парового потока не превышает, как правило, 1 м/с. Поэтому применение закрученного течения фаз позволит значительно увеличить производительность аппарата при тех же, что и в аппаратах с колпачковыми тарелками, геометрических размерах. Отсутствие застойных зон и переливных устройств в колоннах с закрученными фазами позволяет вести непрерывный процесс получения коньячного спирта из виноматериала, содержащего большое количество дрожжей (до 10%).

При производстве кальвадоса также используют перегонные аппараты описанных типов. Однако получение яблочных спиртов традиционного состава требует учета некоторых их специфических свойств — низкого содержания спирта и особенности перехода в дистиллят летучих веществ, обусловливающих аромат яблок, которые легко разрушаются и видоизменяются в процессе длительного кипячения.

Основы расчета и проектирования перегонных установок. Методика технологических расчетов перегонных установок специфична и зависит от принципа их действия.

Для установок тарантского типа (УПКС) по исходному количеству жидкости GH (кг/ч) с концентрацией спирта хи находят количество остатка в перегонном кубе GK (кг/ч) с концентрацией хк. Для этого используют уравнение

где а — показатель дефлегмации = 0,67); b — коэффициент (b = 0,0104).

Обычнохн « 8 об.%, ах.« 0,1 об.%.

И 7 К 7

Количество дистиллята (м3) а концентрация спирта в нем (об.%)

Обычно хд в начале отбора основной фракции составляет около 72 об.%, в конце — 45 об.%; в средней хд = 65 об.% (коньячный спирт).

Аналогично определяют количество спирта-сырца (содержание спирта в нем около 24,5 об.%), а также продуктов его фракционирования.

Расход теплоты на перегонку Q (кДж) устанавливают по уравнению

где /д — удельная энтальпия водно-спиртовых паров, кДж/кг; ск и си — удельная теплоемкость соответственно остатка и исходной жидкости, кДж/(кг · К); /к и /и — температура остатка и исходной жидкости, К.

При обогреве через змеевик расход пара (кг) на перегонку находят по формуле

где і — удельная энтальпия греющего пара, кДж/кг; /конд и сконд — соответственно температура (К) и удельная теплоемкость конденсата, кДж/(кг · К).

В общем балансе теплоты надо учесть также затраты теплоты на нагревание виноматериала от начальной температуры до температуры перегонки (около 60 °С) и потери теплоты (около 15%).

Аналогично определяют расход теплоты для получения головной, основной и хвостовой фракций.

Количество теплоты (кДж), которое необходимо отвести при конденсации водно-спиртовых паров спирта-сырца,

где г — теплота испарения смеси, кДж/кг (можно принять равной 1970 кДж/кг).

Начальная температура конденсации паров спирта-сырца обычно составляет 97,6 °С, конечная — 87 °С.

Спирт-сырец надо охладить от 87 до 17 °С, на что также требуется холод; этот расход холода Q0 определяют по обычной методике.

С учетом изложенного расход охлаждающей воды (кг)

где /н и tK начальная и конечная температуры охлаждающей воды, К (обычно tH = 17...20 °С, tK = 50 °С); с — удельная теплоемкость воды, кДж/(кг · К).

При расчете перегонных установок периодического действия однократной сгонки (типа КУ-500) исходными данными обычно являются количество водно-спиртовых паров (Сп), флегмы (Ф) и дистиллята (/)), а также соответствующие концентрации спирта (уп, и хд). Тогда при обогреве глухим паром

I

и материальный баланс по спирту откуда

Если обозначить Ф / D = v, то можно получить уравнение рабочей линии {СБ на диаграмме зависимости содержания спирта в жидкой и паровой фазах, рис. 3.14) укрепляющей колонны:

где v — флегмовое число; х и у — соответственно состав жидкости и пара по легколетучему компоненту в произвольном сечении колонны, мол.%

Для периода получения хвостовой фракции флегмовое число определяют отдельно.

Диаграмма зависимости содержания спирта в жидкой и паровой фазах (график для определения минимальной величины флегмового числа)

Рис. 3.14. Диаграмма зависимости содержания спирта в жидкой и паровой фазах (график для определения минимальной величины флегмового числа)

По графику на рис. 3.14 определяют и число тарелок в укрепляющей колонне. Для этого дополнительно проводят вертикальную линию, соответствующую значению хн, а затем горизонтальные и вертикальные линии на участке от X до хн. Теоретическое число тарелок соответствует числу горизонтальных ступеней.

В установках упомянутого типа в кон- центрационной части колонны укрепления содержится 2,5 теоретической тарелки; угол наклона рабочей линии при этом составит 35...38°; реальное флегмовое число для получения основного погона 2,53 (для хвостового погона 3,87).

Расход пара на дистилляцию определяют по суммарному расходу теплоты на получение головного, основного и хвостового погонов, а также на испарение флегмы [0ф = Dvr^, где /*ф — теплота испарения флегмы, кДж/(кг · К)] и с учетом теплопотерь (8... 10%).

Часовой расход пара устанавливают из расчета (10,5...11)-часовой сгонки виноматериала. Продолжительность сгонки коньячного спирта 4,5...6 ч. Для этих условий объем паров (м3/ч), проходящих через сечение укрепляющей колонны,

где D — массовый расход дистиллята, кг/ч; 22,4 — объем 1 моль при 0 °С и давлении 0,1 МПа; р0 — атмосферное давление, Па; Т — абсолютная температура водно-спиртовых паров, К; Мср — молекулярная масса водно-спиртовых паров; р — давление паров в рассматриваемом сечении аппарата, Па р = (1,15...1,3)105 Па].

Площадь сечения колонны (м2)

где w — скорость паров, м/с; w = 0,4... 1,0 м/с.

Количество водно-спиртовых паров, поступающих в дефлегматор из колонны (моль/ч):

где X — содержание этилового спирта в водно-спиртовой смеси, мас.%; 46 и 18 — молекулярная масса соответственно спирта и воды, кг/моль.

Часть паров, а именно D / Мср, конденсируется и отводится с дистиллятом. Принимая за 100% количество водно-спиртовых паров, поступающих из колонны, определяют процент сконденсированного в дефлегматоре пара. Для этих условий, воспользовавшись диаграммой t—x—y (рис. 3.15, а), можно установить концентрацию водноспиртовых паров, поступающих в дефлегматор. Для случая отбора средней фракции (коньячный спирт) долей спирта 65,0 об.% (57,2 мас.%, 34,2 мол.%) при v = 2,53 (рис. 3.15, б) она будет равна 12,0 мол.% (26,0 мас.%, 31,5 об.%).

Для перевода мас.% в об.% и мол.% и обратно могут быть использованы формулы:

где МА и Мв — соответственно молекулярные массы чистых компонентов А

w ВрА (рД — соответственно плотности чистого компонента/! при темное

пературе 20 °С и компонента А при объемной концентрации хоб.

Диаграмма t—х—-у (а! и пояснение к примеру (б)

Рис. 3.15. Диаграмма tх—-у (а! и пояснение к примеру (б)

В перегонных установках непрерывного действия (типа К-5) важно выбрать флегмовое число. Это можно сделать по диаграмме (рис. 3.16).

Диаграмма для определения оптимальной величины единиц переноса и количества концентрационных элементов на установке К-5

Рис. 3.16. Диаграмма для определения оптимальной величины единиц переноса и количества концентрационных элементов на установке К-5

Имея данные по содержанию спирта в исходной жидкости хнив коньячном спирте хд, из точки / проводят через точку 3 прямую до пересечения с осью ординат и получают отрезок 5макс. По его величине определяют минимальное флегмовое число:

Действительное значение флегмо- вого числа уд находят из выражения

где ? — коэффициент избытка флегмы.

Для непрерывно действующих аппаратов ? = 1,2...2,5.

По действительному значению флегмового числа находят соответствующий ему на диаграмме отрезок В (точку 4) по формуле

Число тарелок в колонне непрерывного действия определяют отдельно для верхней (укрепляющей) и нижней (истощающей, отгонной) частей. В первом случае это выполняют так же, как и для установок периодического действия, а именно графически по уравнению (3.40) и рис. 3.14.

Для достижения требуемых кондиций коньячного спирта потребуется 1,8 теоретической тарелки. Эти тарелки в установке К-5 представлены дефлегмационной и конденсационной частями.

Для нижней части при обогреве открытым паром (как в установке К-5) число тарелок определяют, используя уравнение

где Сж и Сп — соответственно расходы жидкостного (виноматериал—флегма) и парового (водно-спиртовые пары) потоков, кмоль/ч; у их имеют те же значения, что и в формуле (3.40); хк — содержание легколетучего компонента в кубовом остатке, мол.%.

При обогреве закрытым паром (через теплопередающую поверхность)

157

Пример графического определения числа тарелок

Рис. 3.17. Пример графического определения числа тарелок

В этом случае используют график (см. рис. 3.15), но желательно в большем масштабе по оси абсцисс, ибо начало рабочей линии на нем соответствует концу рабочей линии верхней части колонны.

Пример графического определения теоретического числа тарелок приведен на рис. 3.17; точки 7...5обозначают то же, что и на рис. 3.16.

Графический метод определения числа тарелок для истощающей части применяют при изменении концентрации спирта от хн = = 2,36 мол. % до хк = 0,2 мол.%. В интервале концентраций отхн = = 0,2 мол. % до хк = 0,004 мол.% используют аналитический метод, а именно формулу

где к — коэффициент испарения спирта на участке от 0,2 до 0,004 мол.% =13).

Общее теоретическое число тарелок определяется суммированием числа тарелок отдельных частей колонны, а действительное — с учетом их КПД ?:

Для аппарата типа К-5 необходимо иметь 6,5 теоретической тарелки. Принимая КПД одноколпачковых выварных тарелок 0,5, получаем 13 действительных тарелок.

Зная часовой расход безводного спирта, отбираемого из аппарата с коньячным спиртом, устанавливают количество виноматериала, поступающего на аппарат. Затем по диаграмме (см. рис. 3.15) устанавливают концентрацию водно-спиртовых паров, направляемых в дефлегматор. По уравнению баланса продуктов определяют количество флегмы, а затем содержание в ней спирта.

По этой же диаграмме с учетом сконденсированных в дефлегматоре паров определяют начальную и конечную температуры конденсации водно-спиртовых паров.

Общий расход пара на дистилляцию находят на основании решения уравнения материального (табл. 3.2) и теплового (табл. 3.3) балансов колонны. Приравнивая приход и расход теплоты, определяют расход пара:

Таблица 3.2

Материальный баланс колонны

Продукты

Содержание спирта, мае. %

Массовый расход, кг/ч

безводного

спирта

воды

всего

Приход

Виноматериал

хен

xg„Gh/100

(100-хСнн/100

Флегма

*Ф

ХфФ/ЮО

[100-хф)Ф/100

ф

Греющий пар

я

Я

Всего

??н + ф + я

Расход

Пары, поступающие в дефлегматор и образующие флегму и дистиллят

Уп

УА/100

(100-уп)??п/100

Gn = Ф + D

Отходящая барда (без конденсата)

GH-D

о

I

сгГ

II

LD

Конденсат греющего пара

Я

Я

Всего

GH + Ф + Я

Тепловой баланс колонны

Таблица 3.3

Продукты

Удельная теплоемкость, кДж/(кг ? К)

Темпе

ратура,

К

Удельная энтальпия, І, кДж/кг

Количество

теплоты,

кДж/ч

Итого Q, кДж/ч

Приход

Виноматериал

С6Н

CGh

CGH С6н

'бЛ

Qgh

Флегма

сф

сф Гф

ф

°ф

Греющий пар = 2,275 · 105 Па)

'п

iffi

ipP

Всего

QGh + °ф +

Расход

Пары, поступающие в дефлегматор

CGn

п

'6 А

®Gn -+

Отходящая барда

сб

Ч

ф

о6

Конденсат греющего пара

г

иконд

^конд

VoHfl

; р 'конд”

i R

кондп

Потери

в окружающую среду

'

?

5% суммы предыдущих величин

On

Всего

°6л + Q6 + + 'кондЯ + 0П

Кроме того, учитывают дополнительные затраты теплоты на подогрев вина до температуры кипения.

По тепловой нагрузке на холодильник, конденсатор и дефлегматор определяют расход охлаждающей воды, а также площади поверхности теплообмена, принимая при этом, что охлаждающая вода проходит последовательно холодильник, конденсатор, дефлегматор.

Сечение укрепляющей части колонны находится так же, как и в установках периодического действия, по формуле (3.42), а нижней истощающей части — по формуле

где Р — расход пара в колонне, кг/ч; /, и /2 — удельная энтальпия греющего пара (кДж/кг) соответственно при давлении 1,275 · 105 Па и рабочем давлении в колонне 1,08 · 103 Па; w — скорость пара в свободном сечении колонны, м/с; р — плотность пара, кг/м3 (принимают по справочным данным в зависимости от давления).

В свою очередь, скорость пара (м/с) определяют по эмпирической формуле

где И — расстояние между тарелками, мм (для бражных колонн И = 280 мм, а для ректификационных h = 170 мм); z — уровень жидкости на тарелках (глубина барботажа), мм (для бражных колонн z = 50...60 мм, а для ректификационных z = 37,5 мм).

В общем случае высота колонны

где И — расстояние между тарелками, м; яд — действительное число тарелок; /?к — высота кубовой части, м; /?в — высота колонны над верхней тарелкой, м; И0 — высота опоры (при наличии ее), м.

Как правило, h округляют до значений по нормалям, a hK, hB, hQ принимают по конструктивным соображениям (обычно 1...1,5 м).

Полученное по сечению значение диаметра колонны также округляют до стандартного.

Практика показала, что расчеты перегонных установок при эксплуатации последних ограничиваются тепловыми. Целью их может быть определение площади теплопередающих поверхностей или выбор режима работы отдельных элементов перегонных установок (дефлегматоров, холодильников-конденсаторов и др.). Все эти элементы могут рассматриваться в качестве теплообменников, которые рассчитывают по методикам, изложенным в гл. 4.

Приведенные зависимости и рекомендации в определенной мере могут быть использованы при расчете ректификационных установок для получения спирта при переработке вторичных продуктов виноделия.

Необходимое количество перегонных установок

где Vc — объем коньячного спирта, необходимого для определенной марки коньяка, м3 безводного спирта; Свм — крепость виноматериалов, об.%; Пф — фактическая производительность перегонной установки (или аппарата), м3/сут; Т — продолжительность сезона перегонки (принимается 180 сут).

Этот расчет проводят для каждой марки коньяка.

Общую вместимость винохранилища (м3) рассчитывают, исходя из 15-суточного запаса виноматериалов:

где VRM — общее количество виноматериалов, подлежащих перегонке, м3.

?61

По значению VBM рассчитывают число резервуаров. Также находят число резервуаров для хранения коньячных спиртов (по маркам). Для сбора головной и хвостовой фракций в хранилище предусматривают дополнительную установку 2—3 резервуаров.

Общую вместимость хранилища определяют с учетом фактического выпуска коньяков различных марок.

Вместимость резервуаров (м3) для приготовления и выдержки (при 40 °С) спиртованных вод

где V — объем купажа коньяка, м3; 10 — количество спиртованных вод в купаже,%; 22,5 — средняя крепость спиртованных вод, об.%; 4 — коэффициент оборачиваемости тары; 0,85 — коэффициент заполнения резервуаров (с учетом объема клепок, газовой камеры и температуры хранения 40 °С).

Вместимость резервуаров для приготовления и выдержки спиртованных вод при выпуске 1000 дал коньяка средней крепостью 40,47 об.% составляет 133 дал.

Общую вместимость резервуаров (м3) для послекупажного отдыха коньяка определяют с учетом коэффициента их оборачиваемости:

где V — объем купажа коньяка, м3; Кх — коэффициент заполнения х = = 0,98); Коб коэффициент оборачиваемости; для марочных коньяков Ко6 = 2, для ординарных коньяков Ко6 = 4.

На выпуск 1000 дал коньяка для послекупажного отдыха вместимость емкостей должна составлять:

Для ординарных коньяков 255 дал (резервуары)

Для выдержанных коньяков 510 дал (буты)

Для старых коньяков 1020 дал (буты)

По формуле (3.61) также рассчитывают вместимость резервуаров для обработки коньяков холодом. При этом принимают 10-дневный срок хранения коньяка и 20-кратный оборот тары. На 1000 дал коньяка удельная потребность в резервуарах для обработки холодом составляет 51 дал.

К специфическим относится расчет необходимого числа дубовых клепок для выдержки коньячного спирта в эмалированных резервуарах на 1000 дал коньяка. Его рассчитывают, исходя из следующих условий:

• общая удельная площадь поверхности клепок (см2)

где 1000 — удельная площадь поверхности древесины на 1 дал коньячного спирта, см2;

• площадь (см3) поверхности одной стандартной клепки размером 85 X 10 X 3,5 см

• необходимое число дубовых клепок или

где 0,003060 — объем клепки, м3.

Если используется бутовая клепка длиной 200 см, то ее количество составляет 0,1 м3.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >