Тарілчасті колони: поняття, види, вибір, виготовлення своїми руками

Тарілчасті колони для дистиляції мають невелику зміцнюючу здатність і традиційно використовуються при виробництві віскі, коньяку та інших благородних напоїв. Невелика кількість тарілок дозволяє зберегти органолептиком сировини при високій стабільності та продуктивності апарату.

матеріал

Мідні тарілчасті колони з оглядовими вікнами через свою схожість називають флейтами, а виготовлені в корпусі зі скла - кришталевими. Зрозуміло, що ці назви всього лише маркетинговий хід і до самої конструкції не мають відношення.

Мідь - матеріал недешевий, тому і підхід до його обробці ретельний. Мідна флейта від провідних виробників - витвір мистецтва і предмет їхньої гордості. Вартість виробу може становити абсолютно будь-яку суму, яку готовий витратити покупець.

Ненабагато дешевше флейти в корпусі з нержавіючої сталі, а самий бюджетний варіант - в корпусі зі скла.

Конструктивні особливості та види тарілчастих колон

Найбільшого поширення набули модульні конструкції колон на базі трійників-відводів або циліндрів з боросилікатного скла. Природно, це велика кількість зайвих з`єднувальних деталей і завищена вартість.

Простіший варіант являє собою готові блоки на 5-10 тарілок. Тут вибір ширший, а ціна поміркований. Як правило, цей варіант виготовляють в скляних корпусах.

Є і зовсім бюджетні варіанти - просто вставки для існуючих царг.

Їх можна набирати з комплектуючих в будь-якому необхідній кількості.

Конструкція може бути різною, але якщо такі тарілчасті колони застосовувати з металевими колбами, втрачається наочність процесу. Набагато важче зрозуміти, в якому режимі працює колона, а для роботи з тарілками це дуже важливо.

Для герметизації кожного поверху застосовують прості силіконові диски.

Природно, це менш надійно, ніж прокладки ущільнювачів в модульних конструкціях, але в цілому працюють непогано.

Як альтернатива існує спрощена модульна конструкція, де кожен поверх збирається з простих і недорогих деталей, а вся конструкція стягується воєдино шпильками.

Перевагою модульних колон є в першу чергу їх ремонтопридатність і відкритість для модифікацій. Наприклад, легко доповнити колону на потрібному рівні вузлом проміжного відбору фракцій і штуцером під термометр. Варто всього лише поміняти тарілку.

Більш дешевим варіантом є колони з сітчатимі тарілками. Це не означає, що якість продукту з їх використанням буде гірше. Але вони вимагають більш точного управління.

Ще більш дешеві провальні тарілки, але їх робочий діапазон дуже вузький, тому потрібно бути готовим до точного управління нагріванням джерелами зі стабілізованою потужністю. В основному провальні тарілки використовують на НБК.

Найбільш поширений матеріал для виготовлення тарілок - мідь, нержавіюча сталь і фторопласт. Можливо їх будь-яке поєднання. Мідь і нержавейка матеріали звичні, фторопласт - один з найбільш інертних матеріалів, який можна порівняти з платиною. Але ось його змочуваність погана.

Якщо порівнювати фторопластову тарілку з нержавіючої, то вона буде набагато швидше затоплюватись.

Кількість тарілок в колоні як правило обмежують 5 для отримання дистилятів фортецею 88-92% і 10 для очищених дистилятів зі зміцненням до 94-95%.

Модульні колони дозволяють зробити набір потрібної кількості тарілок з різного матеріалу.

Різниця між насадок і тарельчатой ​​колоною

«У мене є насадок колони, чи потрібна мені тарілчаста?» - це питання рано чи пізно стає перед кожним винокуром. Обидві колони реалізують технологію тепломассообмена, але в їх роботі є істотні відмінності.

Кількість ступенів зміцнення

Насадок колони працює в режимі максимального поділу на предзахлебной потужності. Регулюючи флегмовое число, можна змінювати кількість теоретичних тарілок в широкому діапазоні: від нуля до нескінченності (при повністю відключеному дефлегматоре і роботі колони на себе).

Тарельчатой ​​колоні характерно конструктивно задану кількість ступенів поділу. Одна фізична тарілка має ККД від 40 до 70%. Іншими словами, дві фізичні тарілки дають один щабель поділу (зміцнення, теоретичну тарілку). Залежно від режиму роботи ККД змінюється не на стільки, щоб істотно повілять на кількість ступенів.

утримуюча здатність

Насадок колони зі своєю малою утримує здатністю дозволяє добре очищати дистилят від головної фракції і якось стримувати хвостову.

Тарілчаста колона має на порядок більшу утримуючу здатність. Це заважає їй зробити таку жорстку очищення від «голів», але дозволяє прекрасно стримати хвости. Тобто вирівняти дистилят за хімічним складом. При цьому чим більше потрібно очистити дистилят від домішок, тим більше тарілок потрібно поставити. Просте завдання, яке вирішується практично. Один раз знайшов для себе оптимальну кількість тарілок і більше не думаєш про це.

Чутливість до керуючих впливів

Насадок колони дуже чутлива до перепаду тиску води в дефлегматоре або зміни потужності нагріву. Невелике їх зміна призводить до зміни кількості ступенів зміцнення в рази або навіть в десятки разів.

ККД тарілок може помінятися максимум в 1,5 рази, та й то при дуже великому і цільовому зміні цих параметрів. Можна вважати, що налаштована тарілчаста колона, з точки зору розділяє здібності, практично не буде реагувати на звичайні невеликі перепади тиску води або напруги.

продуктивність

Продуктивність насадок колони в основному залежить від її діаметра. Оптимальним діаметром для сучасних насадок є 40-50 мм, при подальшому збільшенні діаметру стабільність процесів падає. Починають проявляти себе пристінкові ефекти і каналообразования. Тарілчасті колони такими слабкостями не страждають. Їх діаметр і продуктивність можна збільшувати до будь-якого необхідного значення. Аби вистачило потужності нагріву.

Технологічні особливості одержання ароматних дистилятів

При використанні насадок колон для обмеження ступеня зміцнення ми змушені застосовувати більш короткі царги і більшу насадку. Інакше ефіри, що дають основну вкусоароматікі дистилляту, створять з домішками головної фракції азеотропа, потім швидко вилетять з куба. Відбір «голів» виробляємо коротко, «тіло» - на підвищеній швидкості. Що стосується «хвостів», то мала кількість насадки і коротка царга не дає повністю стримати сивуху. До відбору хвостових фракцій доводиться переходити раніше або працювати з малими кубовими навалювання.

Тарілчаста колона має порівняно велику утримує здатність, тому з утриманням сивухи питань немає. Для відбору «голів» і «тіла» 5-10 фізичних тарілок дають 3-5 ступенів зміцнення. Це дозволяє проводити перегін за правилами звичайної дистиляції. Спокійно, без ризику позбавити дистилят аромату, відбирати «голови», а при зборі «тіла» не замислюватися про передчасне підході «хвостів». Запотівання на нижніх тарілках в кінці відбору наочно дасть знати про необхідність поміняти тару. Ступінь очищення можна задати, змінюючи кількість тарілок.

П`яти або десяти тарілок недостатньо, щоб по мірі очищення наблизитися до спирту, але потрапити в вимоги ГОСТ по дистилляту реально.

Використання тарілчастих колон при перегонці фруктового або зернової сировини особливо для подальшої витримки в бочках значно спрощує життя винокуру.

Основи вибору конструктивних розмірів тарілок для колони

Розглянемо конструкції найпоширеніших для побутових цілей тарілок.

провальна тарілка

За своєю суттю це просто пластина з отворами, які можуть бути круглими, прямокутними, і т.д.

Флегма стікає в відносно великі отвори назустріч пару, що визначає головний недолік провальних тарілок - необхідність точного регулювання заданого режиму.

Невелике зменшення потужності нагріву призводить до того, що вся флегма провалюється в куб, а збільшення потужності замикає флегму на тарілці і призводить до захлеб. Ці тарілки можуть задовільно працювати в порівняно вузькому діапазоні зміни навантажень, де вони цілком конкурентоспроможні.

Простота конструкції і висока продуктивність провальних тарілок, поряд зі звичним в домашньому винокурении нагріванням Тенамі зі стабілізованою по напрузі джерелом харчування, привела до їх широкому застосуванню для безперервних бражної колон (НБК), що в поєднанні з корпусом з боросилікатного або кварцового скла, робить настройку колони простий і наочної.

Для розрахунку кількості та діаметру отворів виходять з умови забезпечення барботажа. Експериментально визначено, що сумарна площа отворів повинна бути рівною 15-30% від площі тарілки (перетину труби). У загальному випадку для БК періодичної дії базовий діаметр отворів близько 9-10% від діаметра колони дозволяє потрапити в робочу зону.

Діаметр отворів провальних тарілок для НБК підбирають, виходячи з властивостей сировини. Якщо при перегонці цукрової браги і вина досить отворів діаметром 5-6 мм, то при перегонці борошняних заторів діаметр отворів 7-8 мм краще. Втім, тарілки для НБК мають свої особливості розрахунку, оскільки щільність парів по висоті колони значно змінюється, то розміри необхідно прораховувати для кожної тарілки окремо, інакше їх робота буде далека від оптимальної.

Сітчатие тарілка з переливом

Якщо діаметри отворів провальною тарілки зробити менш 3 мм, то вже при відносно невеликій потужності флегма буде замикатися на тарілці і без додаткових пристроїв переливу буде відбуватися її затопленіе.Но обладнана такими пристроями Сітчатие тарілка істотно розширює свій робочий діапазон.

За допомогою переливних пристроїв на цих тарілках задається максимальний рівень флегми, що дозволяє уникнути раннього затоплення і більш впевнено працювати з високим навантаженням по пару.Ето не заважає флегме при виключенні нагрівання повністю злитися в куб і перезапускати колону доведеться з нуля, як і зазвичай для всіх провальних тарілок.

При спрощеному розрахунку таких тарілок виходять з наступних співвідношень:

• сумарна площа отворів 7-15% від площі перерізу труби;
• співвідношення між діаметрами отворів і кроком між ними близько 3,5;
• діаметр зливних трубок приблизно 20% від діаметра тарілки.

У зливних отворах обов`язково ставляться гідрозатвори, щоб уникнути прориву пара.Сітчатие тарілки потрібно встановлювати строго горизонтально для проходження пари крізь всі отвори і щоб уникнути стікання флегми крізь них.

шліцеві тарілки

Якщо замість отворів в тарілках зробити паропровідні трубки висотою більше, ніж зливні трубки, і накрити їх ковпачками з прорізами, то отримаємо абсолютно нову якість. Ці тарілки при відключенні нагрівання не зіллють флегму. Розділена між фракціями флегма залишиться на тарілках. Тому для продовження роботи досить буде включити нагрів.

Крім того, такі тарілки мають конструктивно закріплений шар флегми на поверхні, вони працюють в більш широкому діапазоні потужностей нагріву (навантажень по пару) і зміни флегмового числа (від повної відсутності до повного повернення флегми).

Важливо й те, що ковпачкові тарілки мають відносно високий ККД - близько 0,6-0,7.Все це, поряд з естетичністю процесу, і визначає популярність ковпачкових тарілок.

При розрахунку конструктиву виходять з наступних пропорцій:

• площа парових трубок -порядка 10% від перетину колони;
• площа прорізів - 70-80% від площі парових трубок;
• площа зливу 1/3 від сумарної площі парових трубок (діаметр приблизно 18-20% від діаметра перетину труби);
• нижні тарілки проектують з великим рівнем флегми і великим перетином прорізів для того, щоб вони працювали як утримують;
• верхні тарілки виготовляють з меншим рівнем флегми і перетином прорізів для того, щоб вони працювали як розділяють.

Виходячи з графіків, наведених у Стабнікова, бачимо, що при шарі флегми в 12 мм (2 крива) максимальний ККД досягається при швидкості пара порядку 0,3-0,4 м / с.

Для колони в 2 "з внутрішнім діаметром 48 мм необхідна корисна потужність нагріву складе:

N = V * S / 750-

де:

• V - швидкість пара в м / с;
• N - потужність в кВт, S - площа перерізу колони в мм².

N = 0,3 * 1808/750 = 0,72 кВт.

Можна подумати, що 0,72 кВт визначають невелику продуктивність. Можливо, з урахуванням доступною потужності варто збільшити діаметр колони? Напевно, це правільно.Распространенние діаметри кварцових стекол для діоптрів - 80, 108 мм. Візьмемо 80 мм з товщиною стінки 4 мм, внутрішній діаметр 72 мм, площа перерізу 4069 мм ². Перерахуємо потужність - отримаємо 1,62 кВт. Ну вже краще, для домашньої газової плити підходить.

Вибравши діаметр колони і розрахункову потужність, визначимо висоту переливної трубочки і відстань між тарілками. Для цього скористаємося наступним рівнянням:

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

де:

• H - відстань між тарілками;
• Z - висота трубочки переливу (тобто товщина шару флегми на тарілці).

Швидкість пара 0,3 м / с, висота тарілки не повинна бути менше її діаметра. Для нижніх тарілок висота шару флегми побільше. Для верхніх поменше.

Розрахуємо мають найтісніший контакт варіанти поєднань висот тарілок і переливу, мм: 90-11- 100-14- 110-18- 120-21. З урахуванням того, що стандартне скло має висоту 100 мм, для модульної конструкції вибираємо пару 100-14 мм. Природно, це всього лише наш вибір. Можна взяти і більше, тоді краще буде захист від бризгоунос зі збільшенням потужності.

Якщо конструкція не модульна, то простору для творчості більше. Можна зробити нижні тарілки з більшою утримує здатністю 100-14, а верхню з більшою розділової - 90-11.

Ковпачки вибираємо зі стандартних і доступних розмірів. Наприклад, заглушки для мідної труби 28 мм, парові труби - труба 22 мм. Висота парової трубки повинна бути більше, ніж у переливної, скажімо 17 мм. Зазори для проходу пара між ковпачком і парової трубою повинні мати велику площу перетину, ніж у парової труби.

Прорізи для проходження пара в кожному ковпачку обов`язково площею перетину порядку 0,75 від площі парової труби. Форма прорізів особливої ​​ролі не грає, але їх краще виконувати максимально вузькими, щоб пар розбивався на більш дрібні бульбашки. Це збільшує площу зіткнення фаз. Збільшення кількості ковпачків так само йде на користь процесу.

Режими роботи колони тарілчастого типу

Будь-які барботажні колони можуть працювати в декількох режимах. При малих швидкостях пара (малої потужності нагріву) виникає бульбашковий режим. Пар у вигляді бульбашок рухається крізь шар флегми. Поверхня контакту фаз мінімальна. При підвищенні швидкості пара (потужності нагріву) окремі бульбашки на виході з прорізів зливаються в суцільну струмінь, а через невеликі відстані через опір барботажного шару, струмінь розпадається на безліч дрібних бульбашок. Утворюється рясний пінний шар. Зона контакту - максимальна. Це пінний режим.

Якщо продовжити підвищувати швидкість подачі пари, то довжина струменів пари збільшується, і вони виходять на поверхню барботажного шару не руйнуючись, утворюючи велику кількість бризг.Площадь контакту знижується, ефективність тарілки падає. Це струменевий або інжекційні режим.

Перехід від одного режиму до іншого не має чітких меж. Тому навіть при розрахунку промислових колон визначають тільки швидкості пара по нижньому і верхньому межі роботи. Робочу ж швидкість (потужність нагріву) просто вибирають в цьому діапазоні. Для домашніх же колон проводиться спрощений розрахунок на якусь середню потужність нагріву, щоб залишилася можливість для регулювань в процесі роботи.

Бажаючим провести більш точні розрахунки можна порекомендувати книгу А.Г. Касаткіна «Основні процеси та апарати хімічної промисловості».

P.S. Вищевикладене не є повноцінною методикою, що дозволяє розрахувати оптимальні розміри кожної тарілки стосовно до будь-якого конкретного випадку і не претендує на точність або наукообразность. Але все ж цього досить, щоб зробити робочу тарілчасту колону своїми руками або розібратися в перевагах і недоліках колон, пропонованих на ринку.

Автор статті - ІгорьГор.