RU156382U1 - Дистиллятор колонного типа с контролируемым внутренним флегмообразованием - Google Patents

Abstract

Дистиллятор колонного типа с контролируемым внутренним флегмообразованием, содержащий перегонный куб, соединенную с ним с помощью фланца вертикальную колонну, отличающийся тем, что вертикальная колонна, представляющая собой прямоточный кожухо-трубчатый теплообменник по типу труба в трубе, с помощью соединительной трубки в верхней части соединена с расположенным вертикально вторым теплообменником такой же конструкции, являющимся конденсатором, таким образом, что обеспечено прямоточное движение хладагента и паров в колонне и противоточное в конденсаторе; при этом в верхней части колонны установлен биметаллический термометр, термопара которого расположена в потоке спиртовых паров, в нижней части теплообменников установлен раздваивающийся патрубок для одновременной подачи хладагента в межтрубное пространство обоих теплообменников, в патрубке установлен вентиль для регулирования скорости подачи хладагента, а в верхней части между колоннами установлена трубка для единого слива хладагента из обоих теплообменников.

Description

Полезная модель относится к спиртовому производству, в частности к аппаратам для получения пищевого ректификованного спирта. Полезная модель предназначена для получения этилового спирта крепостью до 94% об. из перебродившего сырья в условиях небольших помещений и может быть использована для утилизации легкопортящихся сельскохозяйственных продуктов путем переработки их в этиловый спирт на производстве или в быту.

Известны устройства для дистилляции, в которых возможно получение спирта, традиционно применяющиеся для данных целей, например, дистиллятор (А.Г. Касаткин «Основные процессы и аппараты химической технологии», с. 479, рис. XII-8), см. фиг. 2. Сущность его заключается в том, что в нем как в классических дистилляторах цикл «испарение-конденсация» происходит только один раз (фиг. 2). Сырье нагревается нагревательным элементом 16 и испаряется в емкости 14. По трубопроводу 18 пар подается в конденсатор 19, где происходит конденсация продукта, удаляющегося через штуцер 20. Кубовый остаток после дистилляции удаляется через штуцер 15; 13 - подача хладагента (вода), 5 - слив хладагента. Недостатки традиционных дистилляторов: однократная дистилляция недостаточна для качественного разделения перебродившего сырья (представляет собой бинарную смесь «спирт-вода» крепостью 7-12% об.), после однократной перегонки разделение бинарной смеси проходит очень грубо, на выходе получается спирт крепостью всего 40-60% об. Также в спирте однократной дистилляции, получаемой из перебродившего сырья, содержатся нежелательные примеси: легкие эфиры, ацетон, сивушные масла.

Известна ректификационная колонна (А.Г. Касаткин «Основные процессы и аппараты химической технологии» с. 485 рис XII-15), см. фиг. 3. В традиционных ректификационных колоннах цикл «испарение-конденсация» совершается большое количество раз. Для этого часть дистиллята возвращается в колонну 25 и, двигаясь вниз, обогащает поднимающиеся вверх пары спиртом. Это позволяет получить очень хорошее разделение исходной смеси и крепость спирта на выходе до 96% об. Недостатком в традиционной колонне является то, что главное внимание уделено процессу массообмена, а теплообмен между фазами проходит неконтролируемо (фиг. 3).

После испарения обоих веществ в кубе 21, происходит их конденсация на поверхности насадки (тарелки) 22. При этом выделяется большое количество тепла конденсации. Современная ректификация практически не уделяет внимания теплу конденсации и не оперирует им. Это приводит к тому, что некоторая часть сконденсировавшей воды может вновь испарится и подняться выше по колонне. В идеале после протекания первого акта испарения и конденсации вся вода должна быть выведена в низ колонны, а весь спирт должен испариться вновь и быть удаленным в виде паров вверху колонны. Это означает, что всю энергию конденсации воды необходимо вывести из объема дистилляции. Однако в современной колонне нет устройства или технологии, которая бы контролировала этот процесс. Таким образом, энергия конденсации не контролируется и не управляется, и это приводит к низкой эффективности разделения, большой высоте колонн и затратам энергии.

Вторым слабым местом современной дистилляции является организация процесса флегмообразования и распределение флегмы по высоте колонны. В качестве флегмы обычно используется чистый дистиллят. Флегму вводят через специальное распределительное устройство 24 в самый верх колонны. Резонно, что не требуется огромный избыток чистого дистиллята наверху колонны. Количество и состав флегмы должны быть различными по высоте колонны. В нижней части колонны требуется большее количество флегмы с более высоким содержанием высококипящего компонента. С увеличением высоты колонны содержание высококипящего компонента в флегме должно уменьшаться и количество флегмы тоже должно уменьшаться. Современная же промышленная дистилляция использует практически противоположный вариант флегмораспределения. Это приводит к резкому увеличению затрат энергии и увеличению высоты колонн.

Таким образом, недостатки известных ректификационных колонн:

1. Большая высота колонны, не позволяющая производить спирт из перебродившего сырья в условиях небольших помещений.

2. Низкая производительность вследствие высокого гидравлического сопротивления насадки и необходимости возвращать флегму в колонну.

3. Высокие энергозатраты вследствие неэффективного орошения колонны флегмой.

4. В качестве исходной смеси для производства этилового спирта используется спирт-сырец крепостью примерно 30-50% об. Для его производства требуется как минимум дистиллятор традиционной конструкции, что ведет к дополнительным затратам при производстве.

Известно техническое решение по патенту RU 84730 U1 B01D 3/00 опубл. 20.07.2009 г., по которому МАЛОГАБАРИТНЫЙ АППАРАТ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЧИСТОГО ЭТИЛОВОГО СПИРТА И ДИСТИЛЛИРОВАННОЙ ВОДЫ, содержащий цилиндрический корпус с секциями, содержащими патрубки, содержит нижних секций не менее сорока, при этом имеется одна нижняя промежуточная секция, одна верхняя промежуточная секция и одна верхняя секция, а каждая нижняя секция содержит крышку с патрубком, направленным вниз, причем нижняя промежуточная секция содержит крышку с патрубком, направленным вверх, и измерительный патрубок с градусником, а верхняя промежуточная секция выполнена с водяным затвором в виде трубы, имеющей изгиб вниз на конце, находящемся внутри секции, кроме того, верхняя секция содержит входной водяной патрубок и выходной водяной патрубок, а также нижний охлаждающий цилиндр, а внизу цилиндрического корпуса имеется входной патрубок с резьбой на нижнем конце с гайками, а между гайками расположены паронитовые шайбы, причем высота каждой секции составляет не менее 100 миллиметров.

Недостатки: известное устройство не является малогабаритным. Высота каждой секции составляет не менее 100 миллиметров, аппарат содержит нижних секций не менее сорока, таким образом высота аппарата как минимум 4 метра, следовательно по-прежнему имеются трудности использования известного устройства в домашних условиях. Кроме того, недостатком является высокое энергопотребление, так как большое количество секций (как указано более 40) создает высокое гидравлическое сопротивление на пути спиртовых паров: высокое сопротивление приводит к низкой производительности и высокому расходу тепла на нагрев установки.

Наиболее близким к заявляемому является техническое решение по устройству для получения спирта ректификационная колонна «ГринАлко» модель Ректификатор «Лайт» (), 2013 г, на которой можно получать спирт высокой очистки 96,6%, Скорость отбора до 1 л/ч., в режиме дистилляции до 3 л/ч. Установка оснащена двумя термометрами аналоговым в перегонном кубе и цифровым в колонне (цифровой термометр погружается непосредственно в среду), а так же игольчатым краном с капельником для удобной регулировки отбора. Вся конструкция выполнена из высококачественной, пищевой нержавеющей стали (AISI 304 и AISI 316) толщина стен минимум 1,5 мм. Аппарат полностью разборный. Перегонный куб возможно использовать с любыми типами плит (газовая, керамическая, инфракрасная, индукционная и.т.д.). Днище представляет собой «сэндвич» с усиленной, ферримагнитной пластиной, что исключает его деформацию, что обеспечивает быстрый, равномерный нагрев по всей площади. Крышка бака имеет широкую горловину диаметром 190 мм. для удобного заливания браги. Для слива барды в бак встроен шаровый кран, перегонные кубы со встроенными ТЭНами и пароводяные котлы которые можно доукомплектовать мешалкой и блоком автоматизированного управления для варки сусла и пива. Диаметр колонны 40 мм. что существенно снижает риск засорения, вследствие которого создается опасное избыточное давление, так же на дефлегматоре имеется атмосферный клапан, который стравит избыточное давление в случае засора канала отбора флегмы.

Отличия заявляемой полезной модели от известной ректификационной колонны.

1. В известной модели используется классический вариант укрепления спиртовых паров. Часть паров спирта конденсируется в верхней части колонны и спирт отправляется обратно в колонну. Другая часть уже обогащенных спиртовой фракцией паров отбирается в узле отбора и конденсируется уже в другом конденсаторе. Такая конструкция требует подключения воды к двум конденсаторам, что усложняет конструкцию. Необходимость возвращать часть спирта в колонну приводит к низкой производительности.

В предлагаемой полезной модели используется внутреннее флегмообразование. Нет необходимости возвращать спирт обратно в колонну, поэтому выход спирта получается значительно больше. К тому же конструкция предлагаемой модели значительно проще, без необходимости возврата спирта в колонну.

2. Кроме того, в известной колонне для увеличения тепломассообмена и, соответственно, повышения крепости продукта на выходе, внутри колонны применяется насадка -металлическая губка внутри колонны. При перегонке браги губка может забиваться частицами браги, велик риск закупорки внутреннего пространства. Помимо этого забитое внутреннее пространство - это опять же высокое гидравлическое сопротивление на пути спиртовых паров и снижение производительности на выходе.

Предлагаемая полезная модель исключает данный недостаток. Интенсивный тепломассообмен и соответственно, высокая крепость на выходе обеспечивается за счет теплоотведения от поверхности стенки колонны, (в модели greenalco теплоотведение не производится).

Указанные недостатки классических дистилляторов и ректификационных колонн устраняет заявляемая полезная модель дистиллятор колонного типа с контролируемым внутренним флегмообразованием, в результате чего она может быть использована в небольших помещениях и даже в условиях квартиры для переработки сельскохозяйственных продуктов в этиловый спирт высокой крепости.

Предлагается следующая конструкция. Дистиллятор состоит из перегонного куба, соединенной с ним с помощью фланца вертикальной колонны, представляющей собой прямоточный кожухо-трубчатый теплообменник по типу труба в трубе, соединительной трубки, соединяющей верхнюю часть колонны с верхней частью второго теплообменника такой же конструкции, также расположенном вертикально. Второй теплообменник является конденсатором. В верхней части колонны установлен биметаллический термометр, термопара которого располагается в потоке спиртовых паров. Хладагент (например, вода) подается в межтрубное пространство обоих теплообменников одновременно через раздваивающийся патрубок в нижней части теплообменников. Таким образом, в колонне обеспечено прямоточное движение хладагента и паров, а в конденсаторе - противоточное. Скорость подачи хладагента в межтрубное пространство колонны регулируется вентилем, установленном в раздваивающемся патрубке. Слив хладагента из обоих теплообменников объединен в один поток трубкой в верхней части теплообменников с регулировкой вентилем.

Технический результат - повышение производительности при сохранении компактности устройства.

Технический результат достигается конструкцией устройства, включающей в себя перегонный куб, соединенную с ним с помощью фланца вертикальную колонну, отличающийся тем, что вертикальная колонна, представляющая собой прямоточный кожухо-трубчатый теплообменник по типу труба в трубе, с помощью соединительной трубки в верхней части соединяется с расположенным вертикально вторым теплообменником такой же конструкции, являющимся конденсатором, таким образом, что обеспечено прямоточное движение хладагента и паров в колонне и противоточное в конденсаторе; при этом в верхней части колонны установлен биметаллический термометр, термопара которого расположена в потоке спиртовых паров, в нижней части теплообменников установлен раздваивающийся патрубок для одновременной подачи хладагента в межтрубное пространство обоих теплообменников, в патрубке установлен вентиль для регулирования скорости подачи хладагента, а в верхней части между теплообменниками установлена трубка для единого слива хладагента из обоих теплообменников.

Сущность технического решения поясняют изображения на фиг. 1-3.

Фиг. 1. Дистиллятор колонного типа с контролируемым внутренним флегмообразованием, где 1 - перегонный куб;

2 - вертикальная колонна;

3 - крепежный элемент для фиксации фланца;

4 - гайка регулирования слива хладагента;

5 - биметаллический термометр;

6 - фланец, соединяющий перегонный куб с вертикальной колонной;

7 - патрубок;

8 - соединительная трубка;

9 - второй теплообменник;

10 - раздваивающийся патрубок;

11 - вентиль регулирования скорости подачи хладагента;

12 - трубка объединения в один поток хладагента;

Фиг. 2. Классический дистиллятор с однократным циклом «испарение-конденсация», где

13 - хладагент (вода);

14 - емкость с исходной жидкостью;

15 - штуцер для удаления кубового остатка после дистилляции;

16 - нагревательный элемент;

17 - слив хладагента;

18 - трубопровод;

19 - конденсатор;

20 - штуцер для выхода продукта.

Фиг. 3. Традиционная ректификационная колонна, где

21 - перегонный куб;

22 - насадка (тарелки);

23 - трубопровод для испаряемых паров;

24 - распределительное устройство для ввода флегмы;

25 - колонна;

26 - дефлегматор;

27 - трубопровод для выхода продукта.

Пример осуществления (фиг. 1):

Дистиллятор состоит из перегонного куба 1, соединенной с ним с помощью фланца 6 вертикальной колонны 2, представляющей собой прямоточный кожухо-трубчатый теплообменник по типу труба в трубе, соединительной трубки 8, соединяющей колонну со вторым теплообменником 9 такой же конструкции, также расположенном вертикально. Второй теплообменник 9 является конденсатором. В верхней части колонны установлен биметаллический термометр 5, термопара которого располагается в потоке спиртовых паров. Хладагент подается в межтрубное пространство обоих теплообменников одновременно через раздваивающийся патрубок 10 в нижней части теплообменников. Таким образом, в колонне хладагент и пары двигаются прямотоком, в конденсаторе - противотоком. Скорость подачи хладагента в межтрубное пространство колонны регулируется вентилем 11, установленном в патрубке 7. Слив хладагента из обоих теплообменников объединен в один поток трубкой 12 с регулировкой вентилем 4.

Работа устройства осуществляется в режиме обычного дистиллятора или в режиме ректификации. В режиме дистиллятора на установке можно получать спирт-сырец крепостью 40-60% об., который используется как сырье для производства спирта-ректификата крепостью до 94% об. В режиме дистиллятора вентиль И перекрыт полностью, хладагент не поступает в теплообменник колонны 2.

В перегонном кубе 1 происходит испарение перебродившего сырья. Хладагент (холодная вода) подается через штуцер 10, двигается противотоком к конденсируемой смеси и удаляется через штуцер 4. В теплообменнике 9 происходит конденсация паровой фазы. Происходит разделение бинарной смеси «спирт-вода» (перебродившее сырье) с выделением спирта-сырца крепостью 40-60% об.

Работа в режиме дистиллятора позволяет пользоваться одной установкой вместо двух: дистиллятора для производства спирта-сырца и ректификационной колонны для производства чистого спирта, что удешевляет производство. Высота колонны в 2-3 раза ниже классических ректификационных колонн, что позволяет использование в условиях небольшого помещения.

Сырье для производства чистого спирта в режиме ректификации - спирт-сырец (40-60% об.), получаемый на данной установке из сбраживаемых сельхозпродуктов при работе в режиме дистиллятора, как описано выше.

Компактные размеры колонны обусловлены сутью применяемой с помощью устройства технологии разделения смеси спирта и воды, то есть превращения спирта-сырца в спирт крепостью 94% об. Сущностью применения заявляемого устройства является термостабилизация стенки колонны 2. Скорость подачи хладагента (например, водопроводная вода) регулируется вентилем 11 таким образом, чтобы стенка колонны в каждой точке движения пара была горячей для спирта и холодной для воды.

В результате теплоотвода, флегма образуется на внутренней стенке колонны и нет необходимости возвращать часть спирта в верхнюю часть колонны. Так как хладагент вводится непосредственно в нижнюю часть 2 колонны через патрубок 7, флегма образуется в необходимом для поддержания фазового равновесия количестве и в необходимом составе непосредственно в каждой точке колонны. Таким образом, в каждой точке колонны на поверхности пленки флегмы происходит испарение из флегмы спирта и конденсация воды. Вода самопроизвольно возвращается обратно в куб, а испаренный спирт конденсируется в теплообменнике 9. Контроль за интенсивностью процесса осуществляется с помощью термометра 5, установленного в верхней части колонны 2.

Контролируемое внутреннее флегмообразование позволяет обойтись без необходимости размещения внутри колонны контактных устройств (тарелок и насадок), и соответственно, уменьшить высоту и габариты колонны без снижения качества разделения смеси. Кроме того, контролируемое внутреннее флегмообразование в колонне 2 не требует возврата сконденсированного спирта обратно в колонну. Весь испаряющийся спирт может быть сконденсирован и выведен в емкость сбора готового продукта. Это обеспечивает достижение технического результата - высокую производительность установки по производству спирта.

Также высокую производительность обеспечивает низкое гидродинамическое сопротивление колонны благодаря отсутствию необходимости заполнять ее контактными устройствами: тарелками и насадками, а также вертикально расположенному теплообменнику 9.

Таким образом, заявляемая полезная модель может быть использована на малых предприятиях, а также для частных нужд для утилизации легкопортящихся сельскохозяйственных продуктов путем переработки их в этиловый спирт. Полезная модель в отличие от классических дистилляторов может производить спирт высокой крепости (до 94% об.). В отличие от традиционных ректификационных колонн, обладает небольшими габаритами и высокой производительностью, позволяющими использовать ее в небольших помещениях и в домашних условиях.

Claims (1)

1. Дистиллятор колонного типа с контролируемым внутренним флегмообразованием, содержащий перегонный куб, соединенную с ним с помощью фланца вертикальную колонну, отличающийся тем, что вертикальная колонна, представляющая собой прямоточный кожухо-трубчатый теплообменник по типу труба в трубе, с помощью соединительной трубки в верхней части соединена с расположенным вертикально вторым теплообменником такой же конструкции, являющимся конденсатором, таким образом, что обеспечено прямоточное движение хладагента и паров в колонне и противоточное в конденсаторе; при этом в верхней части колонны установлен биметаллический термометр, термопара которого расположена в потоке спиртовых паров, в нижней части теплообменников установлен раздваивающийся патрубок для одновременной подачи хладагента в межтрубное пространство обоих теплообменников, в патрубке установлен вентиль для регулирования скорости подачи хладагента, а в верхней части между колоннами установлена трубка для единого слива хладагента из обоих теплообменников.

   

Images