Тарельчатые колонны: понятие, виды, выбор, изготовление своими руками

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.

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;

где:

• 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);

где:

• 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.

Автор статьи – ИгорьГор.

Ваша оценка:

(54)

Загрузка...