Содержание
Материал
Медные пластинчатые колонны со смотровыми окнами из-за их сходства называются каннелюрами, а выполненные в стеклянном корпусе — хрустальными. Понятно, что эти названия — всего лишь маркетинговый ход и не имеют никакого отношения к самому дизайну.
Медь — материал недешевый, поэтому подход к ее обработке осторожный. Латунная флейта от ведущих производителей — произведение искусства и предмет гордости для них. Стоимость товара может составлять абсолютно любую сумму, которую покупатель готов потратить.
Чуть дешевле канавок в корпусе из нержавеющей стали, а самый дешевый вариант — в стеклянном корпусе.
Конструктивные особенности и виды тарельчатых колонн
Наиболее популярны модульные конструкции колонн на основе Т-образных ответвлений или цилиндров из боросиликатного стекла. Конечно, это предполагает большое количество ненужных соединительных деталей и чрезмерную стоимость.
Более простой вариант — готовые блоки на 5-10 плит. Здесь выбор шире, а цена ниже. Как правило, такой вариант выполняется в витринах.
Есть и достаточно недорогие варианты — просто существующие вставки в ящики.
Их можно набирать из комплектующих в любом необходимом количестве.
Конструкция может быть разной, но при использовании таких дискообразных колонн с металлическими колбами ясность процесса теряется. Понять, в каком режиме работает колонка, гораздо сложнее и это очень важно для работы с лотками.
Для герметизации каждого этажа используются простые силиконовые диски.
Конечно, это менее надежно, чем прокладки в модульном исполнении, но в целом работает хорошо.
В качестве альтернативы существует упрощенная модульная конструкция, в которой каждый пол собирается из простых и недорогих деталей, а вся конструкция стягивается заколками.
Преимущество модульных колонн — это, прежде всего, ремонтопригодность и доступность модификаций. Например, легко дополнить колонку до необходимого уровня промежуточным блоком отбора проб и штуцером для термометра. Просто поменяйте блюдо.
Колонны с ситчатыми лотками — более дешевый вариант. Это не значит, что качество продукта будет хуже при их использовании. Но они требуют более точного контроля.
Лотки для неисправностей еще дешевле, но их диапазон очень узок, поэтому нужно быть готовым к точному управлению нагревом от источников со стабилизированной мощностью. В основном в НКИ используются банкротные таблички.
Наиболее распространенными материалами для производства пластин являются медь, нержавеющая сталь и фторопласт. Возможна любая комбинация. Медь и нержавеющая сталь — привычные материалы, фторопласт — один из самых инертных материалов, сравнимый с платиной. Но его смачиваемость оставляет желать лучшего.
Если сравнить пластину из фторопласта с пластиной из нержавеющей стали, она будет заливаться намного быстрее.
Количество тарелок в колонне обычно ограничивается до 5 для получения дистиллятов с содержанием спирта 88-92% и до 10 для очищенных дистиллятов с увеличением до 94-95%.
Модульные колонны позволяют создать набор из необходимого количества лотков из разных материалов.
Разница между насадочной и тарельчатой колонной
«У меня есть насадочная колонка, нужна ли мне грибная колонка?» — этот вопрос рано или поздно встает перед каждым винокурнем. Обе колонны реализуют технологию тепломассообмена, но есть существенные различия в их работе.
Количество ступеней укрепления
Насадочная колонна работает в режиме максимальной сепарации до предзахоронения. Регулируя коэффициент дефлегмации, можно изменять количество теоретических тарелок в широком диапазоне: от нуля до бесконечности (при полностью выключенном обратном конденсаторе и работающей колонне).
Тарельчатая колонна характеризуется структурно определенным количеством ступеней разделения. Физическая пластина имеет КПД от 40 до 70%. Другими словами, две физические пластины образуют ступень разделения (якорь, теоретическая пластина). В зависимости от режима работы КПД не меняется настолько сильно, что существенно влияет на количество проходов.
Удерживающая способность
Насадочная колонна с низкой удерживающей способностью позволяет хорошо очищать дистиллят от головной фракции и как-то удерживать хвостовую часть.
Колонка тарелки имеет на порядок большую удерживающую способность. Это мешает ей делать такую жесткую чистку «голов», но позволяет ей отлично держать хвосты. То есть выровнять химический состав дистиллята. В этом случае, чем больше нужно очистить дистиллят от примесей, тем больше посуды придется ставить. Простая задача, решаемая на практике. Однажды я нашла для себя оптимальное количество блюд и больше об этом не думаю.
Чувствительность к управляющим воздействиям
Насадочная колонна очень чувствительна к падению давления воды в обратном конденсаторе или к изменению мощности нагрева. Небольшое их изменение приводит к изменению количества ступеней усиления в разы и даже в десятки раз.
Эффективность пластин может изменяться максимум в 1,5 раза, и в этом случае при очень широком и целенаправленном изменении этих параметров. Можно предположить, что настроенная тарельчатая колонна с точки зрения разделительной способности практически не будет реагировать на обычные небольшие перепады давления или нагрузки воды.
Производительность
Характеристики набивного каната в основном зависят от его диаметра. Оптимальный диаметр для современных форсунок — 40-50 мм; при дальнейшем увеличении диаметра устойчивость процессов снижается. Теменные эффекты и ченнелинг начинают проявляться. Дисковые колонки такими слабыми местами не страдают. Их диаметр и вместимость можно увеличить до любого необходимого значения. Лишь бы мощности обогрева хватило.
Технологические особенности получения ароматных дистиллятов
При использовании насадочных колонн для ограничения степени армирования мы вынуждены использовать более короткие боковые ответвления и более крупную насадку. В противном случае сложные эфиры, которые придают дистилляту основной аромат, будут образовывать азеотропы со смесями головной фракции, поэтому они быстро вылетят из куба. Кратко выделим «головы», «тело» — на более быстрой скорости. Что касается «хвостов», то небольшое количество сопла и короткая боковая планка не позволяют полностью удерживать фюзеляж. Необходимо сначала перейти на подбор хвостовых фракций или работать с небольшими средствами.
Колонна диска имеет относительно высокую удерживающую способность, поэтому нет никаких сомнений в удерживании спирта. Для выбора «головы» и «тела» 5-10 физических плит дают 3-5 фаз укрепления. Это позволяет проводить дистилляцию в соответствии с правилами обычной дистилляции. Спокойно, не рискуя лишить дистиллят аромата, снимая «головы», и при сборе «тела» не думать о преждевременном приближении «хвостов». Запотевание нижних пластин в конце выбора ясно укажет на необходимость замены емкости. Степень чистоты можно установить, изменив количество посуды.
Пяти-десяти чашек недостаточно, чтобы приблизиться к спирту по степени очистки, но ввести требования ГОСТа к дистилляту вполне реально.
Использование дисковых колонн для перегонки фруктового или зернового сырья, особенно для дальнейшей выдержки в бочках, значительно упрощает жизнь дистиллятора.
Основы выбора конструктивных размеров тарелок для колонны
Рассмотрим самые распространенные конструкции тарелок бытового назначения.
Провальная тарелка
По центру это просто пластина с отверстиями, которые могут быть круглыми, прямоугольными и т.д.
Отливы поступают в относительно большие отверстия для пара, что определяет главный недостаток неисправных пластин — необходимость точной настройки заданного режима.
Незначительное снижение мощности нагрева приводит к тому, что вся мокрота попадает в куб, а увеличение мощности блокирует мокроту на пластине и приводит к затоплению. Эти лотки могут удовлетворительно работать в относительно узком диапазоне нагрузок, где они вполне конкурентоспособны.
Простота конструкции и высокие характеристики вышедших из строя пластин вместе с нагревом с помощью резисторов со стабилизированным напряжением, обычных в бытовой дистилляции, привели к их широкому использованию в колоннах непрерывного затирания (NBK), которые в сочетании с корпусом из боросиликатного стекла или кварца делает настройку колонки простой и интуитивно понятной.
При расчете количества и диаметра отверстий учитываются условия обеспечения образования пузырьков. Экспериментально определено, что общая площадь отверстий должна составлять 15-30% площади пластины (сечения трубы). В общем случае для БК периодического действия диаметр базового отверстия порядка 9-10% диаметра колонны позволяет попасть в рабочую зону.
Диаметр отверстий тонущих плит для НБК выбирается исходя из свойств сырья. Если при перегонке сахарного сусла и вина достаточно отверстий диаметром 5-6 мм, то при перегонке мучного сусла предпочтительнее отверстие диаметром 7-8 мм. Однако тарелки для НБК имеют свои конструктивные особенности, так как плотность пара по высоте колонны существенно меняется, размеры необходимо рассчитывать отдельно для каждой тарелки, иначе их работа будет далека от оптимальной.
Ситчатая тарелка с переливом
Если диаметр отверстий дефектной пластины меньше 3 мм, даже при относительно небольшой мощности обратный поток будет заблокирован на пластине и без дополнительных устройств перелива он будет затоплен. Но ситовый лоток, оснащенный такими устройствами, значительно расширяет его ассортимент.
При упрощенном расчете таких лотков учитываются следующие соотношения:
- диаметр водосточной трубы составляет около 20% диаметра бассейна.
- общая площадь отверстий составляет 7-15% площади поперечного сечения трубы;
- соотношение диаметров отверстий и шага между ними около 3,5;
В сливные отверстия необходимо установить водяные затворы, чтобы предотвратить выход пара. Ситчатые лотки необходимо устанавливать строго горизонтально, чтобы пар мог проходить через все отверстия и не допускать прохождения через них обратного потока.
Колпачковые тарелки
Если вместо отверстий в пластинах сделать паропроводы выше выхлопных труб и закрыть их заглушками с прорезями, то получится совершенно новое качество. Эти лотки не отводят мокроту, когда выключен нагрев. На подносах останется фракционный рефлюкс. Поэтому для продолжения работы достаточно будет включить обогрев.
Кроме того, эти лотки имеют на поверхности структурно закрепленный рефлюксный слой; они работают в более широком диапазоне мощности нагрева (паровые нагрузки) и вариациях коэффициента орошения (от полного отсутствия до полного возврата орошения).
также важно, чтобы лотки с пузырьковыми крышками имели относительно высокий КПД — около 0,6-0,7. Все это, наряду с эстетикой процесса, определяет популярность лотков с пузырьковыми крышками.
При расчете конструкции исходят из следующих пропорций:
- нижние лотки спроектированы с высоким уровнем отлива и большим сечением щелей, поэтому они служат сдерживающим фактором;
- площадь трещин составляет 70-80% площади паропроводов;
- площадь выхлопа составляет 1/3 от общей площади паропроводов (диаметр около 18-20% диаметра сечения трубы);
- площадь паропроводов порядка 10% сечения колонны;
- верхние тарелки выполнены с нижним уровнем флегмы и секцией прорезей, которые действуют как разделители.
Из графиков Стабникова видно, что при толщине флегмы 12 мм (кривая 2) максимальная эффективность достигается при скорости пара примерно 0,3-0,4 м / с.
Для 2-дюймовой колонны с внутренним диаметром 48 мм требуемая полезная теплотворная способность составляет:
N = V * S / 750;
где это находится:
- N — мощность в кВт, S — сечение колонны в мм².
- V — скорость пара в м / с;
N = 0,3 * 1808/750 = 0,72 кВт.
Можно подумать, что 0,72 кВт — это небольшая производительность. Возможно, учитывая имеющуюся вместимость, стоит увеличить диаметр колонны? Наверное, это правильно. Обычные диаметры кварцевых стекол для диоптрий — 80, 108 мм. Возьмем 80 мм с толщиной стенки 4 мм, внутренним диаметром 72 мм и площадью поперечного сечения 4069 мм². Пересчитываем мощность: получаем 1,62 кВт. Ну вот уже и лучше, для домашней газовой плиты подходит.
После выбора диаметра колонны и расчетной мощности определяем высоту переливной трубы и расстояние между лотками. Для этого мы будем использовать следующее уравнение:
V = (0,305 * H / (60 + 0,05 * H)) — 0,012 * Z (м / с);
где это находится:
- Z — высота переливной трубы (т. Е. Толщина обратного слоя на пластине).
- H — расстояние между пластинами;
Скорость пара 0,3 м / с, высота тарелки не должна быть меньше ее диаметра. Для нижних лотков высота слоя мокроты больше. Для более высоких, более мелких.
Рассчитываем наиболее близкие варианты сочетаний высот плит и перелива, мм: 90-11; 100-14; 110-18; 120-21. Учитывая, что стандартное стекло имеет высоту 100 мм, для модульной конструкции выбираем пару 100-14 мм. Конечно, это только наш выбор. Можно взять и больше, так будет лучше обезопасить себя от брызг при увеличении мощности.
Если конструкция не модульная, то есть больше простора для творчества. Возможно изготовление нижних лотков вместимостью более 100-14, а верхних с большим разделением — 90-11.
Подбираем кепки из стандартных и доступных размеров. Например, заглушки на медную трубу 28 мм, паровые трубы — трубу 22 мм. Высота паропровода должна быть больше, чем высота переливной трубы, скажем, 17 мм. Проход для пара между колпачком и паропроводом должен иметь большее поперечное сечение, чем паропровод.
Прорези для прохода пара в каждой заглушке требуются с площадью поперечного сечения порядка 0,75 площади паропровода. Форма прорезей особой роли не играет, но лучше сделать их как можно более узкими, чтобы пар разбивался на более мелкие пузырьки. Это увеличивает площадь контакта между фазами. Увеличение количества крышек также приносит пользу процессу.
Режимы работы колонны тарельчатого типа
Любая пузырьковая колонка может работать в разных режимах. При малых скоростях пара (малой мощности нагрева) возникает пузырьковый режим. Пар в виде пузырьков движется через слой отлива. Контактная поверхность фаз минимальная. По мере увеличения скорости пара (мощности нагрева) отдельные пузырьки, выходящие из щелей, плавятся в непрерывной струе, и после коротких расстояний из-за сопротивления барботажного слоя струя распадается на множество мелких пузырьков. Образуется щедрый слой пены. Площадь контакта максимальная. Это режим пены.
Если продолжать увеличивать подачу пара, длина струй пара увеличивается, и они выходят на поверхность барботажного слоя, не разрушаясь, образуя большое количество брызг. Площадь контакта уменьшается, эффективность лотка снижается. Это струйный или инъекционный режим.
Переход от одного режима к другому не имеет четких границ. Поэтому даже при расчете промышленных колонн определяются только скорости пара, исходя из нижнего и верхнего рабочих пределов. В этом диапазоне просто выбирается рабочая скорость (мощность нагрева). Для бытовых колонок выполняется упрощенный расчет на некую среднюю мощность обогрева, так что есть возможность корректировок в процессе эксплуатации.
Тем, кто желает провести более точные расчеты, можно порекомендовать книгу А.Г. Касаткина «Процессы и основные устройства химической промышленности».
PS Приведенное выше не является полноценной методикой, которая позволяет рассчитать оптимальные размеры каждого лотка применительно к конкретному случаю и не претендует на точность или научность. Однако этого достаточно, чтобы своими руками изготовить рабочую дисковую колонку или разобраться в преимуществах и недостатках предлагаемых на рынке колонок.
Автор статьи — Игорь Гор.
