СПОСОБ ПЕРЕГОНКИ ЖИДКОСТЕЙ В ТОПЛИВО С РЕКТИФИКАЦИЕЙ
FLUID TO OIL DISTILLATION METHOD WITH RECTIFICATION

Предлагаемое изобретение относится к технологиям перегонки и ректификации углерод содержащих жидкостей в горючие жидкости и может быть использовано в гидролизной, сульфитно-спиртовой и в нефтеперегонной промышленности, а так же в перерабатывающих отраслях агропромышленного комплекса. Данное техническое решение может быть отнесено к химической промышленности, например, к синтезу кислородосодержащих асимметрических соединений на основе ферментативной или бродильной переработки органического сырья. Например, при производстве ациклических композиций, преимущественно этилового спирта.
1. Уровень техники
H
5
В настоящее время известны горючие жидкости, которые используются в качестве топлива, с большой удельной теплотой сгорания [1]. Среди них бензин, мазут и этиловый спирт [1, Удельная теплота сгорания топлива (низшая, т.е. с учетом потерь воды на испарения) W*10 Дж/кг: бензин 92 441, мазут 390-410, этиловый спирт 272].
Эти топлива получают по известным и схожим технологиям, но из разных видов сырья. Например, бензин, керосин и аналогичные топлива получают из углеводородного сырья - из сырой нефти последовательной перегонкой и ректификацией. Для производства топлива на основе этилового спирта вначале производят слабо спиртовой раствор-смесь - бражку, которую также перегоняют и ректифицируют, увеличивая концентрацию спирта [2, 3]. Бражка является углеводсодержащим сырьем или углеводным раствором.
Широко известен способ получения ректифицированного спирта, в котором сбраживают углеводсодержащее сырье с получением спиртовой бражки. Одновременно выращивают кормовые дрожжи в условиях аэрации и выделяют газо-воздушную смесь. Затем, осуществляют перегонку спиртовой бражки, ректификацию водно-спиртовых паров и их конденсацию агентом, причем в качестве агента используют газо-воздушную смесь, которую получают при выращивании дрожжей [4]. Перегонку и ректификацию осуществляют в ректификационной колонне.
В данном способе одновременно производят и спирт и дрожжи, а последние являются хорошей кормовой добавкой при производстве животноводческих кормов.
Наиболее существенным недостатком данного технического решения является сложность и высокая энергоемкость нагрева ректификационных колонн. Известны также способы переработки сивушного масла (как отхода перегонки и ректификации) в процессе обработки спиртовой бражки в ректификационных колоннах [5-11]. В некоторых из них, переработку осуществляют путем повышения температуры в ректификационной колонне. Такая колонна включает в себя куб-испаритель, ректификационный аппарат, холодильник, делитель флегмы и сепаратор. Ректификацию осуществляют путем отгонки головной фракции сивушного масла до начала расслоения компонентов в сепараторе. Сушку куба-испарителя осуществляют азеотропно и осуществляют перекачку оставшейся массы, получая изоамиловый спирт, как продукт высшего качества [5-9]. В данной переработке выделяются и используются все органические ингредиенты, включая низкокипящие фракции. В других из них [10-11], сивушные масла перерабатывают химическими методами, осуществляя ректификацию с добавлением 0,01-30 мас. % щелочного агента и поддержанием температуры в кубе (колонны) 131-132°С и в газовой зоне конденсатора 128-129°С, поддерживая содержание примесей в конденсате 3 мас. %. Полученный в кубе продукт подвергают прямой перегонке. В этом процессе добавляют щелочной агент до температуры в кубе 121-127°С, поддерживают содержание воды в массе 0,35-0,8 мас. % и получают изоамиловый спирт. Во всех этих способах переработки сивушных масел получают изоамиловый спирт. Наиболее существенными недостатками способов является увеличение выхода отходов - мазута и высокая энергоемкость процессов в ректификационных колоннах. Известны также способы переработки бражного дистиллята [12-16], которые относятся ближе к химической промышленности: к способам синтеза кислородосодержащих химических соединений на основе ферментационной или бродильной переработки органического сырья. В том числе, при производстве ациклических композиций, преимущественно этилового спирта [16]. В этих технологиях (способах), приготавливают органическое углеводосодержащее сырье, его сбраживание с использованием культуры дрожжей и перегонку, полученной при этом, бражки. Перегонка бражки в этиловый спирт осуществляется аналогично выше указанным аналогам.
В этих способах недостатком является использование подогрева емкости для сбраживания или для перегонки.
В некоторых способах получения очищенного этилового (и многих, похожих на него), во всех случаях [12-21], первоначально, во всех случаях, получают сходное сырье в виде спиртовой бражки. В большинстве этих технологических операций - бражку нагревают (нагревая емкость) до заданной температуры перегретым технологическим паром. Эту операцию производят в колоннах, состав которых выше известен.
Преимуществом этих способов является использование тепловой энергии технологического пара.
Во всех этих известных технических решениях основной недостаток - нагрев емкости, внутри которой находится жидкая суспензия.
Известны способы, в которых предусмотрена перегонка бражки в бражной колоне с эпюрацией бражного дистиллята [20, 22-26]. Во время этой операции подают гидроселекционную воду на верхнюю тарелку эпюрационной колонны. Ректификацию эпюрата в ректификациооной колонне осуществляют с отбором фракций сивушного масла, сивушного спирта и непастеризованного спирта. Далее осуществляют очистку фракций от метанола и головных примесей в метанольной колонне. Конденсат пара из конденсатора эпюрационной колонны расслаивают на две жидкие фазы в разделителе дистиллята. Разделение жидкой фазы из сивушного конденсатора - в декантаторе. Нижний водный слой жидкости из декантатора подают в зону отбора фракции сивушного масла из отгонной части эпюрационной колонны, а из разделителя дистиллята - в флегму из дефлегматора эпюрационной колонны. Эту флегму разделяют на два потока, один из которых направляют в среднюю зону концентрационной части эпюрационной колонны, а второй - подают совместно с сивушным спиртом на тарелку питания разгонной колонны.
Преимуществом данных способов, несмотря на гигантскую сложность устройства для реализации, является существенное повышение органолептических свойств полученного ректифицированного спирта и ускорение процесса ректификации.
Во всех этих известных технических решениях основной недостаток - нагрев емкостей, внутри которой находится жидкая суспензия, для выполнения операций нагрева (подогрева) самой жидкости.
Известны аналогичные способы [27-32], в которых осуществляют перегонку и ректификацию углеводных жидкостей (спиртовой бражки) также, как и показано выше, но в более простых и компактных устройствах, типа самогонных аппаратов. В источниках [31, 32] показаны похожие и аналогично работающие такие аппараты. Такой компактный перегонный и очищающий аппарат завода Wein [31] представляет собой ректификационную колонну в миниатюре (фиг. 1). Он содержит перегонный куб 1, выполненный в виде неподвижной цилиндрической металлической емкости со сплошным усиленным нижним днищем, с закрытой съемной крышкой 2.1 выполненной в виде горизонтального диска. В крышку 2.1 вертикально по центру диска и герметично (с крышкой 2.1 и емкостью 1) установлена вертикальная царга 3, внутри которой, последовательно один за другим снизу, неподвижно установлены фильтрующие каскады 2 Панченкова. Царга 3, на расстоянии 50-70 см от крышки 2.1, круто изогнута вниз и снабжена трехниточным теплообменником - холодильником 4. Емкость 1, в нижней части, снабжена неподвижным сливным патрубком 1.1 с перекрывающим краном, а в верхней части (в верхнем днище) неподвижно установлен термометр 1.2. В верхней части царги 3, также неподвижно установлен термометр 3.1. Внутренняя полость холодильника 4 гидравлически, трубкой 4.1, подключена к источнику холодной воды, которая подается в нижнюю часть холодильника 4, а вытекает из него по трубке 4.2, которая подключена к холодильнику 4 в его верхней части. Продукт, полученный после перегонки, ректификации и охлаждения, вытекает, пройдя три нитки охлаждения в холодильнике 4 из него, по трубке 4.3. При этом, охлаждающая жидкость (например вода) охлаждает посредством теплообмена с тремя нитками, например, медной трубки, уложенными компактно внутри цилиндрической трубы 4 (холодильника 4). Конец 4.3 трубки теплообменника выведен наружу из цилиндрической трубы 4 холодильника. Вытекающий из этого конца 4.3 конденсат (спиртовой раствор после перегонки) можно собирать в любую подходящую емкость.
В процессе перегонки и очистки, днище неподвижной емкости 1 нагревают открытым источников пламени (тепла) наблюдая за температурой термометра 1.2. При нагреве днища емкости 1, за счет теплопроводности материала корпуса емкости 1, тепло от днища передается всему корпусу емкости 1. Нагреваясь снаружи, корпус емкости 1, за счет теплопроводности, нагревает спиртовую бражку (жидкости) внутри емкости 1. При увеличении температуры жидкости внутри емкости 1, возрастает количество паров с поверхности столба жидкости и давление пара внутри емкости. При установке и поддержании температуры (на термометре 1.2) 78°С (температура закипания этилового спирта) регулировкой мощности пламени, например, газовой горелки, испаряющиеся с поверхности жидкости пары избыточным давлением перемещаются вертикально вверх в царгу 3, фильтруясь в каскадах Панченкова 2. Из царги 3 пары проходят последовательно, одну за другой, три нитки в холодильнике 4, конденсируются в жидкость и стекают из конца трубки 4.3, например, в отдельный сосуд. Таким образом, емкость 1 с жидкостью внутри, устанавливают неподвижно днищем на открытое пламя или на электрический тэн. Включают пламя или тэн, нагревая днище емкости 1, наблюдая за температурой на термометре 1.2 и устанавливают ее постоянной, например, 78°С на уровне температуры закипания этилового спирта. Под действием избыточного давления пары проходят сквозь фильтры 2 внутри вертикальной царги 3 и конденсирутся в очищенную жидкость в холодильнике 4, которую собирают. Преимуществами данного способа является компактность и, данный способ перегонки жидкости, может быть принят в качестве прототипа к заявляемому, как предполагаемое изобретение.
Наиболее существенными недостатками этого способа являются.
1. Избыточная энергоемкость.
2. Неудобство обслуживания устройства для осуществления способа. Дополнительно известны способы нагрева неподвижной емкости снизу направленно- фокусированным излучением в ближней инфракрасной области (ниже по тексту - НФИ-БИК) [33-35] с помощью электроламп типа ИКЗ. Это излучение (длина волны 0,7-1,9 мкм) позволяет максимально нагревать вещества содержащие углерод или кремний. Из этих ламп достаточно просто формируют инфракрасные нагреватели, например, в форме круга [34], а шинное соединение ламп [35] позволяет обходиться без проводов и излишних их соединений. Способы нагрева, в которых используются излучатели НФИ БИК, позволяют перемещать емкость вместе с нагревающим устройством в любое свободное место и экономично нагревать неподвижные и подвижные объекты, особенно, если они покрыты или содержат углерод или кремний.
2. Наиболее близким техническим решением (прототипом) является способ перегонки жидкостей в топливо с ректификацией, в котором жидкость, заключенную в цилиндрическую емкость или в емкость другой формы, нагревают посредством нагрева емкости снаружи до заданной температуры жидкости внутри емкости, повышая давление внутри емкости, испаряя сверху жидкость и, под воздействием избыточного давления, выдавливая пары жидкости сквозь неподвижные фильтры внутри вертикальной царги и, направляя их (пары) внутрь ниток конденсирующего холодильника, из которого сконденсированную в жидкость пары вытекают вниз под действием собственной силы тяжести капель.
3. Наиболее существенными недостатками данных способов являются
3.1. Избыточная энергоемкость.
3.2. Некорректная зона отвода паров жидкости из емкости.
3.3. Невозможность непрерывно контролировать уровень нагреваемой жидкости внутри емкости по высоте емкости и температуру в открытом слое испаряемой жидкости.
3.4. Неудобство обслуживания устройства для осуществления способа.
4. Причины, препятствующие получению технических результатов.
4. Эти недостатки известных способов объясняются следующими научно-обоснованными причинами.
4.1. Избыточная энергоемкость обусловлена передачей тепловой энергии жидкости от нагреваемого корпуса емкости. На самом деле, прежде чем нагреть жидкость внутри емкости, нужно нагреть либо днище, либо саму емкость. В данном процессе, основная доля энергии нагрева расходуется на нагрев емкости. Кроме этого, большая часть этой энергии уходит на нагрев днища. Оно, вследствие большой толщины (из-за многих антипригарных слоев) - до 10 мм, обладает, при этом, весьма малой теплопроводностью.
4.2. Некорректная зона отвода паров жидкости из емкости обусловлена прямым углом присоединения трубки (царги 3) к крышке 2.1. Из области аэродинамики известно [36], что всякий всасывающий факел (вблизи отверстия) гораздо слабее, по мощности, чем приточная струя. Пар поднимается над всей цилиндрической поверхностью круга, а должен выводиться через гораздо меньшее круглое отверстие. Таким образом, всасывающий факел (если он есть) ограничен, в основном, диаметром вертикальной трубки (царги 3). В данных и известных способах отсутствуют операции вытяжки пара изнутри емкости 1 (фиг. 1). Этим свойством обусловлен и дополнительный дефект в операциях исполнения. А, именно - производительность (выдача полученного жидкого топлива), которая непосредственно зависит от величины давления внутри емкости 1 (над слоем жидкости), т.е. от температуры самой жидкости, которую поддерживают постоянной используя термометр 1.2, который установлен в верхнем днище емкости 1 и не позволяет точно поддерживать температуру в спосе испаряемой жидкостию.
4.3. Невозможность непрерывно контролировать уровень нагреваемой жидкости внутри емкости по высоте емкости обусловлена отсутствием средств контроля уровня жидкости внутри емкости 1 при том условии, что жидкость непрерывно испаряясь, непрерывно уменьшается количественно, т.е., в объеме замкнутой емкости а, при постоянном поперечном сечении, значит - в высоту. Еще одним, дополнительным недостатком известных способов, является и невозможность контролировать и регулировать температуру в слое испаряющейся жидкости.
4.4. Неудобство обслуживания устройства для осуществления способа обусловлено тем, что из-за необходимости нагрева днища емкости 1 (перегонного куба) необходимо иметь стационарный нагреватель днища перегонного куба и, следовательно, осуществлять перегонку и ректификацию в одном фиксированном месте (в фиксированном положении). С другой стороны, весьма неудобно расположение конца трубки 4.3 (из которого постоянно вытекает ректификат) над перегонным кубом 1, непосредственно над термометром 1.2.
Из источников патентной и другой опубликованной информации дополнительно известно следующие технические решения, в том числе:
Средство подачи воздушной струи с помощью эжектора [37-39]. В этих способах, при наличии источника сжатого воздуха, с помощью эжектора можно, воздушной струей даже транспортировать волокнистую ленту.
Средство измерения температуры поверхностного слоя жидкости [40] в виде терморезистора на поплавках.
Средство преобразования температуры в изменение электрического напряжения в цепи питания ламп (автоматический регулятор «температура-напряжение») - АРНТ
[41], например, ТРМ-1, фирмы «Овен».
Средство преобразования инфракрасного излучения в электрический сигнал [42], например, датчик фоторезистор СФЗ-1.
Компрессор с управляемым электроприводом [43], например, поршневой автомобильный компрессор типа «Аллигатор»: AL-300, 12 V, 105 Wt. Известен, так же, измеритель-регулятор дифференциального давления ИРД 4001-010 [44], например, ООО НПФ «Промышленные системы».
Известно также, что инфракрасное излучение максимально поглощают (и нагреваются) вещества (в том числе растворы), содержащие углерод или кремний [45]
4. Признаки прототипа, совпадающие с заявляемым предлагаемым изобретением
В способе перегонки жидкостей в топливо с ректификацией известны следующие операции. Жидкость нагревают от стенок емкости, в которой она содержится, испаряют, создавая избыточное давление паров и, под воздействием избыточного давления, испарения перемещают (проталкивают), сквозь фильтры внутри вертикальной трубчатой, коаксиальной емкости, царги в конденсирующий холодильник, превращая испарения (пары) в жидкость.
5. Задачами предлагаемого изобретения являются следующие технические результаты.
5.1. Существенное снижение энергоемкости.
5.2. Осуществление зоны организованного отвода паров жидкости из емкости.
5.3. Непрерывный контроль и регулирование уровня нагреваемой жидкости внутри емкости по высоте и температуру нагреваемой поверхности жидкости.
5.4. Существенное улучшение удобства обслуживания и принудительный отвод испарений из емкости.
6. Эти технические результаты в заявляемом способе перегонки жидкостей в топливо с ректификацией обеспечиваются тем, что нагревают направленно-фокусированным излучением в ближней инфракрасной области только верхнюю поверхность жидкости внутри емкости до заданной температуры, которую непрерывно измеряют и поддерживают заданной посредством авторегулятора «напряжение-температура», а испарения (пары) отводят из емкости принудительно, посредством эжектора, создающего разряжение и установленного на выходном конце конденсат отводящей трубки из холодильника, автоматически задавая, непрерывно измеряя и поддерживая заданный уровень жидкости в емкости, непрерывно передавая данные об уровне на управляющий блок (измеритель-регулятор дифференциального давления) компрессора, пневматически соединенного одновременно с поршневой системой перемещения подвижного дна внутри емкости, в которой подвижное дно является поршнем и с эжектором.
7. Сущность технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 показана схема прототипа (перегонный аппарат Wein).
На фиг. 2 показана схема устройства для осуществления способа при схематичном разрезе самой емкости.
На фиг. 3 показана схема расположения источников НФИ БИК в плоскости (вид А) максимальной плотности излучения.
На фиг. 4 представлена общая схема нагрева и управления процессом внутри емкости (разрез А-А).
На фиг. 5 показана элементная и структурная схема блока управления БУ.
На фиг. 6 показана схема взаимодействия при изменении уровня жидкости внутри емкости с датчиком уровня (ДУ).
На фигурах 2-6 обозначены буквенными сокращениями следующие элементы, составляющие устройство для реализации заявляемого способа.
На фиг. 2.
ДТ - датчик температуры поверхности жидкости, размещенный на поплавках [40] и погруженный на глубину 5 мм в поверхность жидкости.
НФИ БИК - направленно-фокусированное излучение в ближней инфракрасной области (с длиной волны 0,7-1,9 мкм). Этот спектр излучают электрические инфракрасные, зеркальные, лампы накаливания типа ИКЗ с отражателем на внутренней поверхности колб. В РФ серийно производятся такие лампы мощностью 500 Вт (ИКЗ-500), 250 Вт (ИКЗ-250) и 175 Вт (ИКЗ-175). Максимальную плотность НФИ БИК создают лампы ИКЗ-250 с узким световым распределением инфракрасного луча.
БУ - блок управления процессом перегонки жидкости в топливо, включающий в себя комплект элементов, соединенных схемами питания и управления.
У - уровень жидкости 7 внутри емкости 5.
ДУ - датчик уровня жидкости в емкости.
h - размер зазора между уровнем У жидкости и уровнем колб ламп ИКЗ-250.
А - вид на лампы ИКЗ-250 снизу, изнутри емкости 5.
ЭЖ - эжектор, аналогичный [37-39], размещенный на выпускном конце трубки 4.3 (из холодильника 4).
На фиг. 3.
А-А - обозначен продольный разрез (вдоль оси царги 2 (3)).
На фиг.4.
Схематично показан вид А-А продольного разреза (вдоль оси царги 2 (3)).
П - показано направление перемещения пара (испарений) с поверхности (У) жидкости 7 внутри емкости 5 при нагреве этой поверхности посредством НФИ БИК, направленным от ламп ИКЗ-250.
ВФ - показана схема всасывающего факела, организованного насадком 6.6 на царге 2.
ЛО - горизонтальная линия концов отражателей (внутри колб ламп ИКЗ-250). Эти концы отражателей лежат в одной горизонтально плоскости, следом которой является линия ЛО.
На фиг. 5.
АРНТ - сокращенно обозначен авторегулятор «напряжение-температура» ТРМ-1 [41].
ИКН - условно обозначен инфракрасный нагреватель (элементы 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5, где излучателями являются размещенные по кругу лампы ИКЗ-250, фиг. 4).
На фиг. 6.
У1 - пониженный уровень У жидкости 7 после испарений с ее поверхности У. ДУ1, ДУ2, ДУ3 - составные элементы (комплектующие) датчика уровня ДУ (инфракрасный фоторезистор СФЗ-1 [42]
7.1. Схематически представленное устройство (для реализации заявляемого способа), показанное на фиг. 2-6 включает в себя следующие взаимосвязанные элементы.
На фиг 1 (прототип - аппарат Wein). обозначены позициями 1 - емкость, 1.1 - сливной - наливной патрубок, 1.2 - термометр (или датчик давления), 2 - вертикальная труба (царга), с фильтрами, 2.1 - крышка емкости 1, 3 - общая масса всех фильтров, 3.1 - датчик давления (или температуры), 4 - трех ниточный холодильник, 4.1 - схема доставки жидкого охладителя по трубке, 4.2 - спуск охладителя из холодильника, 4.3 - выпускной конец сливной (из холодильника) трубки.
На фиг. 2 (предполагаемое изобретение), обозначены теми же позициями элементы, одинаковые по назначению с прототипом 1.1, 2 (3), 3.1, 4 (4.1, 4.2, 4.3). Новыми позициями, на фиг. 2, как нужные элементы для осуществления способа, являются:
5 - цилиндрическая емкость (перегонный куб) из прозрачного материала, т.е., из стекла, прозрачного акрилового, полипропиленового или полиэтиленового пластика. Емкость 5 размещена вертикально и снабжена сплошным неподвижным днищем (на чертежах не обозначено), а так же сплошным подвижным днищем 5.2. Подвижное днище 5.2 выполнено в виде тонкого плоского поршня, размещено внутри емкости 5 коаксиально ей и плотно, относительно внутренней цилиндрической поверхности стенки емкости 5. По высоте емкости 5 подвижное днище 5.2, в начале, установлено на расстоянии 30 мм от неподвижного сплошного днища (на чертежах не обозначено). Между неподвижным днищем и подвижным днищем 5.2 внутри емкости 5 образуют зазор 8. Этот зазор 8 посредством неподвижного патрубка 5.1 (заделанного неподвижно в стенку емкости 5) пневматически соединен с блоком управления БУ перегонкой. Для удержания и точного задания этого зазора, между подвижным днищем 5.2 и неподвижным днищем (не чертежах не обозначено), первоначально, между ними устанавливают калибровочный куб 8.2.
Калибровочный куб 8.2 выполнен, например, из стекла, пластика или металла, но имеет точный размер куба 30×30×30 мм.
6 - крышка емкости 5 посаженная на круглый верхний край цилиндрической стенки емкости 5. Крышка 6 установлена на краях горизонтально. На поверхности крышки 6 (6.1), обращенной вниз неподвижно установлен инфракрасный нагреватель (ИКН) с размещенными по кругу равномерно лампами ИКЗ-250, которые создают направленно-фокусированное излучение в ближней инфракрасной области (НФИ БИК), направленное сверху вниз. На поверхности крышки 6 (6.1), обращенной вверх (на внешней стороне крышки 6, 6.1) неподвижно размещены (установлены) элементы блока управления (БУ) процессом перегонки.
Все элементы структурной схемы (фиг. 5) размещены неподвижно, по кругу, с равномерным зазором между собой и с зазором относительно вертикальной трубы (царги) 2.
Крышка 6 выполнена из электроизоляционного материала, например, из фторопласта. По центру, вдоль оси емкости 5, в крышку 6 вмонтирована вертикально царга с фильтрами 2(3).
В зазор 8.1 между подвижным днищем 5.2 и крышкой 6 залита перегоняемая в топливо жидкость 7, например, спиртовая бражка. На поверхности стенки емкости 5, снаружи стенки, напротив (на верхнем уровне) верхней кромки жидкости 7 неподвижно закреплен датчик уровня (ДУ) жидкости 7. ДУ электрически соединен с блоком управления (БУ) процессом перегонки жидкости в топливо. Зазор (h) между ДУ и колбами ламп ИКЗ-250 (ИКН) составляет 10 мм. На конце 4.3 трубки, выходящей их холодильника 4, неподвижно смонтирован эжектор (ЭЖ), аналогичный известным эжекторам [37-39].
На поверхности жидкости 7 внутри емкости 5 размещают в виде поплавка датчик температуры (ДТ), выполненный аналогично известному техническому решению [40]. ДТ электрически соединен с блоком управления (БУ) процессом перегонки.
9 - емкость для сбора сконденсированного топлива после перегонки. Емкость 9 установлена под эжектором (ЭЖ).
На фиг. 3, 4 (вид А с фиг. 2 и разрез А-А с фиг. 3) показаны следующие основные элементы устройства для реализации способа. ИКН, установленный на крышке 6.1, включает в себя плоский диэлектрический участок 6.1 крышки 6, на котором закреплены неподвижно, в виде одинаковых колец электропроводные шины 6.2 и 6.3 (фазная и нейтральная). В шины 6.2, 6.3 ввернуты цоколями лампы ИКЗ-250 6.4 так, обеспечены надежные электрические контакты между шинами и контактами цоколей ламп. Шины 6.2 и 6.3 разделены друг от друга неподвижными диэлектрическими перегородками 6.5. Вертикальная царга 2 с фильтрами 3 закреплена коаксиально емкости 5 и крышке 6 гайкой 2.3 (фиг. 4), а не конец царги 2, проходящий сквозь крышку 6.1 коаксиально навинчен (закреплен) всасывающий насадок 6.6. Насадок 6.6 выполнен в виде воронки, имеющей в плоскости форму много лучевой звезды. Между лучами этой звезды (насадка 6.6) размещены колбы ламп ИКЗ-250 6.4 ИКН так, что линия отражателей (ЛО) этих ламп 6.4 лежит в плоскости концов лучей насадка 6.6. Этот насадок 6.6 позволяет существенным образом организовать всасывающий факел трубки (царги) 2 и увеличить объем захвата факелом испарений с поверхности жидкости 7.
Плоский участок 6.1 крышки 6, ближе к краю, выполнен в форме кольцевого утолщения 6.7, в котором, в свою очередь, выполнена кольцевая канавка 6.8 шириной, равной толщине стенки емкости 5 и глубиной 10 мм. Крышка 6 свободно лежит на краю стенки емкости 5 и поджата к ней силой тяжести элементов, входящих в БУ. К крышке 6.1 выполнено сквозное отверстие 6.9, аналогичное такому же отверстию 6.9.1 в насадке 6.6. Через эти отверстия 6.9 и 6.9.1 проходит электрическая связь (провода) от ДТ к БУ.
ДТ размещен на поверхности жидкости 7, т.е., на уровне У.
На фиг.5 показана элементная и структурная схема блока управления БУ. Здесь обозначены.
10 - датчик температуры ДТ [40], электрический сигнал с которого подается непрерывно на управляемый вход авторегулятора «напряжение-температура», [41], фирмы Овен.
11 - АРНТ, например, ТРМ-1 [41], управляемый выход с которого (напряжение), подается на питание ламп ИКЗ-250, т.е., на питание ИКН.
12 - ИКН (инфракрасный нагреватель), состоящий из n-го числа ламп ИКЗ-250 6.4.
13 - датчик уровня ДУ, например, инфракрасный фоторезистор СФЗ-1, управляющий сигнал с которого подается на управляющий вход ИРД [44].
14 - измеритель-регулятор дифференциального давления, например, ИРД 4001-010 [44], управляющий сигнал с которого направляется на управляемый вход двигателя компрессора «Аллигатор».
15 - компрессор с управляемым электроприводом, например, «Аллигатор» (AL 300), питание 12V, мощность 105Wt со встроенным манометром (на чертежах - не показан).
16 - воздушный баллон (ресивер), например, внутренним диметром 50 мм и длиной 100 мм.
17 и 18 - эластичные прочные трубки: 17 - трубка, внутренним диаметром 1 мм, обеспечивающая пневматическую связь ресивера 16 с эжектором ЭЖ, 18 - трубка, внутренним диметром 2 мм, обеспечивающая пневматическую связь ресивера 16 с патрубком 5.1, т.е., с пространством между подвижным днищем 5.2 и неподвижным днищем емкости 5.
При нагнетании компрессором 15 в ресивер 16 воздуха задают давление в ресивере 16, например, 2 атм. Это давление задается блоком ИРД 14 и контролируется встроенным манометром компрессора 15. Это давление воздуха в ресивере 16 превращается в потоки воздуха по трубкам 17 (соединена с эжектором ЭЖ) и 18 (соединена с патрубком 5.1). Эти потоки воздуха в трубках создают избыточное (по отношению к атмосферному) давление в каждой из трубок, пропорциональное площади внутреннего поперечного сечения каждой трубки, а суммарное давление соответствует заданному давлению в ресивере 16, т.е. 2 атм. Поскольку трубка 17 в 2 раза меньше трубки 18 по диаметру, но в 4 раза меньше по площади поперечного сечения, суммарную площадь поперечных сечений трубок 17 и 18 можно принять в виде 5 (пяти) частей, которые в сумме эквивалентны 2 атм в ресивере 16. В этом случае, давление в трубке 17 будет составлять 1*2 атм/5=0,4 атм. Давление в трубке 18 будет составлять 4*2 атм/5=1,6 атм.
19 - подвод сетевого питания (220 В) по двух проводной схеме: нейтраль и фаза. Питание АРНТ и ИРД осуществляется параллельно от одного сетевого провода 19.
На крышке 6 размещены и закреплены неподвижно выше перечисленные элементы 11 (АРНТ), 12 (ИКН), 14 (ИРД 4001-010), 15 (компрессор), 16 (баллон-ресивер). Все они расположены по кругу, с равномерным зазором относительно царги 2 и относительно друг друга.
На фиг. 6 показана схема размещения ДУ (13) и, как она работает. Например, ДУ является фоторезистором инфракрасного света СФЗ-1, отечественного производства. Длина его рабочей части (чувствительной к ИК излучению) ДУ1 зоны 6 мм. Он неподвижно прикреплен к стенке емкости 5 на уровне У верхней поверхности жидкости 7 и состоит из трех частей: ДУ1 - чувствительная часть, ДУ2 - корпус, ДУЗ - электрический разъем (колодка), электрически связанный с ИРД. 7.2. Предполагаемое, в качестве нового, техническое решение реализуется следующими операциями.
Вначале, в емкость 5 кладут на неподвижное днище (на чертежах не обозначенное) калибровочный куб 8.2. Зазор, между подвижным 5.2 и неподвижным днищами установлен - 30 мм. После этого, внутрь емкости 5 устанавливают подвижное днище 5.2, до упора в куб 8.2. Затем, на боковой прозрачной стенке емкости 5 закрепляют неподвижно на требуемом уровне У (поверхности) жидкости 7 датчик уровня ДУ и замеряют величину электрического тока с выхода колодки ДУЗ. При обычном комнатном (рассеянном) освещении его инфракрасный спектр практически одинаков с дневным светом, электрическое сопротивление резистора составляет 20 МОм и электрический ток соответствует уровню освещения и составляет 0,2 А. После этого, заполняют емкость 5 жидкостью 7, уровень которой доводят до уровня У, замеряя напряжение с разъема ДУЗ. фоторезистор СФЗ-1. Когда уровень У жидкости полностью перекрывает чувствительную часть ДУ1 датчика уровня ДУ (фиг. 6), из-за непрозрачности жидкости 7, световой поток, попадающий на часть ДУ1 датчика ДУ, полностью прекращается (темнота). Сопротивление СФЗ-1 возрастает до максимальных 30 Мом, а величина тока падает до минимальных 0,15 А. В этот момент прекращают заливку жидкости 7 и считают емкость 5 заполненной до уровня У. Инфракрасное излучение, так же, не проницаемо для жидкости 7 в емкости 5, поэтому токовый сигнал с ДУ 13 по величине 0,15-0,2 А подается на управляющий вход ИРД 14, как сигнал соответствующий заполненной емкости до уровня У.
Далее, датчик ДТ 10 погружают на поверхность У жидкости 7 и подключают к управляемому входу АРНТ 11, датчик ДУ 13 подключают к управляемому входу ИРД 14, а трубки 17 и 18 пневматически подключают, соответственно, к эжектору ЭЖ и к патрубку 5.1 снизу емкости 5.
Затем крышку 6 (с БУ сверху и ИКН снизу) емкости 5 устанавливают сверху свободно на край емкости 5 и включают питание (220 В) устройства, фиг. 5, 6.
Посредством АРНТ 11 задают (устанавливают) температуру верхнего слоя (на уровне У) жидкости 7 в емкости 5 по величине 78,2°С (температура кипения этилового спирта 78,3°С, температура закипания 78,15°С [46]). Посредством ИРД 14 устанавливают давление в ресивере 16 в 2 атм. Затем подключают сетевой провод 19 к электрической сети 220 В.
Одновременно включаются две системы управления перегонкой и ректификацией. Поверхность жидкости 7 внутри емкости 5 нагревается посредством НФИ БИК от ИКН 12 до 78,2°С в течение первых 30 с, за это время эжектор ЭЖ отводит испарения (принудительно пропуская их через фильтры в царге и холодильник 2, 3, 4) из области испарений (нагрева) по всей круглой верхней поверхности жидкости 7 (с уровня У).
По мере отвода эжектором ЭЖ испарений уровень У понижается, например, до уровня У1 (всего на 2 мм). В этом случае на чувствительную часть ДУ1 попадают лучи непосредственно НФИ БИК, собственное сопротивление фоторезистора уменьшается до 5 МОм, а ток возрастает до 0,6А. ИРД увеличивает давление в ресивере 16, в том числе в трубке 18, которая (через патрубок 5.1, фиг. 2), посредством избыточного давления, перемещает подвижное днище 5.2 вверх, пока уровень У1 жидкости 7 не займет прежнее положение У. Так происходит непрерывно, пока 90% (по высоте столба жидкости 7 внутри емкости 5) не пройдет перегонку и ректификацию, т.е. пока 90% жидкости не перейдет в емкость 9 (фиг. 2).
7.3. Заявляемые в данном техническом решении технические результаты достигаются следующим образом.
7.3.1. Существенное снижение энергоемкости достигается тем, что в процессе перегонки нагревают непосредственно верхний слой самой перегоняемой жидкости. Не расходуется энергия на нагрев и поддержание заданной температуры самой емкости.
2
2
Например. При использовании ИКН 12 из 6 ламп ИКЗ-250, размещенных по кругу, их общая номинальная мощность составляет 1500 Вт и они располагаются по кругу ∅ 300 мм (3 дм). Площадь поверхности жидкости 7, которую они нагревают, составляет 3,14*3/4=7,065 дм. Это около 700 мл жидкости 7 и нагревается до 78,2°С за 30 с (0,5 мин или за 0,0083 часа). Расход энергии, при этом, составляет 1,5 кВт*0,0083 ч = 0,0125 кВтч. На поддержание этой температуры 78,2°С каждый час расходуется 12,5 Вт электрической энергии. Что недостижимо мало, по сравнению с другими способами нагрева.
7.3.2. Организованный (общий к поверхности испарения) отвод паров жидкости 7 из емкости 5 обеспечивается непрерывной вытяжкой с одной стороны, а с другой - насадком 6.6, который существенно увеличивает площадь отвода испарений и их конденсации по традиционной технологии.
7.3.3. Непрерывный контроль и регулирование уровня нагреваемой жидкости внутри емкости по высоте и температуру нагреваемой поверхности жидкости осуществляется непрерывным слежением через прозрачную емкость посредством инфракрасного фоторезистора с точностью ±1 мм от заданного уровня.
7.3.4. Существенно улучшается удобство обслуживания и принудительный отвод испарений из емкости за счет того, что:
7.3.4.1. Электрическое питание устройства для осуществления заявляемого способа позволяет ему быть автономным. В этом случае, оно, м. б., установлено в любом удобном месте, где есть питание 220 В.
8. Источники информации
1. Н.И. Кошкин, М.Г. Ширкевич. Справочник по элементарной физике. Изд. 7 Наука. М, 1976. //С/-256. (с. 91, табл. 59).
2. Крюков Н.П. Аппараты воздушного охлаждения. М., Химия, 1983, с. 168.
3. Технология спмрта. М., Легкая и пищевая промышленность, 1981, с. 416.
4. SU 1464463 А1, МПК B01D 3/00, опубл. 27.09.1995.
5. RU 2109724 С1, 27.04.98.
6. US 4831197 А, 16.05.89.
7. ЕР 0325243 А2, 1989.
8. US 47205558 А, 1988.
9. RU 2138476 С2, МПК С07С 31/125, опубл. 27.09.1999.
10. SU 257487 А, 1969.
11. RU 2183617 С2, МПК С07С 31/125, опубл. 20.06.2002.
12. RU 2138555, 27.09.1999.
13. RU 2199586, 27.02.2003.
14. RU 2127760,20.031999.
15. RU 2156806, 27.09.2000.
16. RU 2312147 С2, МПК С12Р 7/06, опубл. 10.12.2007, Бюл. №34
17. RU 2346048, 10/02.2009.
18. SU 91270, 15.03.1982.
19. RU 2145250 С1, 10.02.2000.
20. Яровенко В.Л., Устинов и др. Справочник по производству спирта. Сырье, технология и технохимконтроль. М., Легкая и пищевая промышленность, !981 с 138.
21. RU 2409675 С1, МПК С12Р 7/06, опубл. 20.01.2011. Бюл.№2.
22. RU 2300570 С1, 10.06.2007.
23. RU 2243811 С2, 10.01.2005.
24. RU 2421522 С1, МПК С12Р 7/06, опубл. 20.06.2011 Бюл. №17.
25. RU 2421523 С1, МПК С12Р 7/06, опубл. 20.06.2011.
26. RU 2539743 С1, МПК С12Р 7/06, опубл. 27.01.2015.
27. http://domashnie-pivovarni.ru/
28. http://samogonoff.com/
29. http://semovar.ru/
30. http://termosfera.tv/?utm_source=direct-yandex&utm_medium=cpc&utm_campaign=rsya16776267&utm_content=M-1732861729&utm_term=%D0%A1%D1%83%D1%81%D0%BB%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%80%D0%BE%D1%87%D0%BD%D1%8B%D0%B9%20%D0%BA%D0%BE%D1%82%D0%B5%D0%BB%20%D0%BA%D1%83%D0%BF%D0%B8%D1%82%D1%8C&vclid=332493282141802543
31.
http://weins.ru/?utm_medium=cpc&utm_source=yandex.direct&utm_campaign=23444482&utm_content=3371548826&utm_term=%D0%B0%D0%BF%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B0%D1%82%20wein&yclid=352233063125093333
32.
http://luxstahl.ru/?utm_source=yandex&utm_medium=RSYA&utm_campaign=OSNOVA%2Fhot&utm_content=2017
33. RU 2411699 CI, МПК H05B 3/20, опубл. 10.02.2010 г., Бюл. №4
34. RU 2479953 C2, МПК H05B 3/20, опубл. 20.04.2013, Бюл. №11
35. RU 2556865 С2, МПК Н05В 3/00, опубл. 20.072015 г., Бюл. №20
36. Сорокин Н.С. Аспирация и пневмотранспорт в текстильной промышленности. 3-е издание, исправленное и дополненное. М., Легкая индустрия, 1978, с. 216.
37. SU 1666588 A1, D01H 5/00, 30.07.91, Бюл.№28
38. SU 1721134 A1, D01H 5/00, 23.03.92, Бюл.№11
39. SU 1754812 A1, D01H 5/00, 15. 08. 92, Бюл. №30
40. SU 821948 A1, G01K 7/00, 15.04.81, Бюл. №14
41. http://www.owen.ru/uploads/rie_trm1_m_din_954.pdf
42. Н.Н. Акимов, Е.П. Ващуков, В.А. Прохоренко, Ю.П. Ходоренок. Резисторы Конденсаторы трансформаторы дроссели коммутационные устройства РЭА. - Минск "Беларусь", 1994 (Таблица 2.7. Параметры фоторезисторов инфракрасного излучения). СФЗ-1
43. http://tuningoff.ru/kompressor-al-300z-alligator-p-42299.html
44. http://npp-psu.ru/p85475657-izmeritel-regulyator-differentsialnogo.html.
45. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М., Высшая школа, 1980, с. 469. Глава 29. Теплообмен излучением, с. 402-451.
46. http://fb.ru/article/21423/temperatura-kipeniya-spirta