ДИСТИЛЛЯТОР КОЛОННОГО ТИПА

Полезная модель относится к спиртовому производству, в частности к аппаратам для получения пищевого ректификованного спирта, может быть использована для утилизации легкопортящихся сельскохозяйственных продуктов путем переработки их в этиловый спирт в условиях небольших помещений на производстве или в быту.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению является патент RU №156382 U1B01D 3/00 (2006.01), опубл. 10.11.2015 г., по которому дистиллятор содержит перегонный куб, соединенную с ним с помощью фланца вертикальную колонну, представляющую собой прямоточный кожухо-трубчатый теплообменник по типу труба в трубе, соединительную трубку, соединяющей колонну со вторым теплообменником такой же конструкции, расположенном вертикально. Второй теплообменник является конденсатором. В верхней части колонны установлен биметаллический термометр, термопара которого располагается в потоке спиртовых паров. Хладагент подается в межтрубное пространство обоих теплообменников одновременно через раздваивающийся патрубок в нижней части теплообменников. 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 с регулировкой вентилем. Недостатки: слабое охлаждение и конденсация спиртовых паров в теплообменниках с одной трубкой, вследствие чего, низкая производительность. Кроме того, отсутствие контроля температуры в баке-испарителе и отсутствие предохранительного клапана сброса давления, защищающего от взрыва, снижает эксплуатационные характеристики устройства при повышении производительности.
Недостатки прототипа устраняет заявляемое техническое решение.
Техническая задача - повысить производительность устройства при действующей технологии контролируемого флегмообразования за счет увеличения площади охлаждения в теплообменниках и повышения скорости конденсации паров.
Для решения технической задачи предложена следующая конструкция.
Для повышения производительности работы устройства требуется повысить скорость охлаждения паров в теплообменниках. Для этого первая колонна - вертикальный теплообменник (прямоточный кожухо-трубчатый теплообменник по типу труба в трубе) разделен на две неравные части. Нижняя часть - это царга, конструкция которой аналогична прямоточному теплообменнику прототипа, а верхняя часть - это дефлегматор, который выполнен с несколькими параллельно расположенными трубками с целью увеличения площади охлаждения и повышения скорости конденсирования. Однако он конденсирует не все пары, а только часть их, поэтому основную конденсирующую функцию выполняет второй теплообменник, занимающий место второй вертикальной колонны, аналогичной противоточному теплообменнику прототипа, являющийся конденсатором, который целиком на всю длину также как дефлегматор выполнен многотрубочным. Таким образом - главным отличием заявляемого технического решения от прототипа является многотрубочная конструкция теплообменников: дефлегматора и конденсатора. Указанной конструкцией достигается увеличение скорости охлаждения и конденсации спиртовых паров, за счет чего заметно возрастает производительность.
Контролировать параметры при высокой производительности помогает также то, что помимо термометра в верхней части колонны (соединительное колено) съемная крышка перегонного куба оснащена термометром со щупом, который позволяет измерять температуру кипения сырья и делать соответствующий вывод о содержании остаточного спирта в браге (брага крепостью 10% кипит при 80°С, а вода - при 100°С). Чем ближе температура на термометре к 100°С, тем меньше спирта осталось в браге и тем скорее надо прекращать перегонку. Кроме того для автоматического регулирования процесса в крышке перегонного куба установлен противовзрывной клапан сброса давления. В случае перегревания и опасного увеличения давления в баке при повышении производительности клапан сбрасывает лишний пар, что обеспечивает безопасность работы устройства.
Пары из куба поднимаются по царге и попадают в дефлегматор. Дефлегматор представляет из себя кожухо-трубчатый теплообменник с несколькими трубками (2, 3 и более). Несколько трубок обеспечивают большую площадь конденсации для паров, чем одна трубка - по сравнению с прототипом, что повышает скорость охлаждения паров и производительность устройства. Пары подаются в трубки, хладагент поступает в межтрубное пространство дефлегматора. В дефлегматоре спирт из паров частично конденсируется и самотеком возвращается вниз - в колонну-царгу. В царге конденсат (флегма), стекая в виде пленки жидкости, встречается с восходящими парами спирта. Тепломассообмен встречающихся паров и жидкости в царге создает градиент концентрации спирта в парах и флегме (обратном потоке), в результате которого пары поглощают из флегмы спирт, а флегма (возвратный поток) поглощает из паров воду. За счет этого пары укрепляются до крепости выше 90% об. (в теории возможно укрепление до 96% об. и получение чистого спирта)
Кроме того, в царге для увеличения площади теплообмена могут устанавливаться различные контактные устройства, повышающие площадь взаимодействия жидкости и паров: металлические мочалки, металлическая стружка, различные регулярные насадки (Панченкова, Зульцера, спирально-призматические). При невысоких скоростях пара возможна эксплуатация без внутреннего наполнителя колонны - тепломассообмен осуществляется за счет пленки жидкости на поверхности колонны.
Контроль температуры спиртовых паров осуществляется с помощью термометра. Щуп термометра установлен в потоке спиртовых паров.
Укрепленные после дефлегматора и царги пары спирта попадают через соединительное колено в конденсатор, представляющий собой также многотрубочный теплообменник. В конденсаторе пары конденсируются в жидкий спирт и поступают в приемную емкость через носик выхода продукта. Хладагент (как правило, холодная водопроводная вода) поступает в межтрубное пространство дефлегматора и конденсатора через тройники и трубки.
Регулирование охлаждения дефлегматора осуществляется с помощью винтового зажима, контролируемо перекрывающего трубку. Зажим может отсутствовать, если флегмообразование контролируется нагревом перегонного куба - например, при нагреве на бытовой кухонной плите с регулятором мощности нагрева.
Технический результат - повышение производительности при сохранении компактности устройства.
Технический результат достигается конструкцией устройства, содержащий перегонный куб, съемная крышка которого оснащена температурным датчиком со щупом и клапаном сброса давления, вертикальные колонны-теплообменники прямоточный и противоточный (конденсатор), соединительное колено, соединительные трубки, отличающийся тем, что прямоточный теплообменник содержит две части: ниже царгу и выше дефлегматор, при этом дефлегматор и конденсатор представляют собой многотрубочный теплообменник. Как частный случай, в царге для увеличения площади теплообмена установлены контактные устройства, увеличивающие площадь взаимодействия жидкости и паров.
Сущность технического решения поясняют изображения на фиг. 1-3.
Фиг. 1. Общая схема устройства.
Фиг. 2. Соединение царги и многотрубочного дефлегматора (схема): а) вид прямо, б) изометрия.
Фиг. 3. Соединение царги и многотрубочного дефлегматора (фото).
Где
1 - перегонный куб;
2 - термометр со щупом;
3 - противовзрывной клапан сброса давления;
4 - съемная крышка;
5 - крепления хомут-стяжка узлов аппарата;
6 - царга;
7 - дефлегматор;
8 - колено соединительное;
9 - термометр со щупом;
10 - конденсатор;
11 - тройники соединительные;
12 - зажим винтовой;
13 - трубка соединительная;
14 - крепления хомут-стяжка съемной крышки;
15 - носик выхода продукта.
Пример осуществления
Дистиллятор состоит из перегонного куба 1, соединенной с ним с помощью крепления 5 вертикальной колонны - царги 6, представляющей собой прямоточный кожухо-трубчатый теплообменник по типу труба в трубе, вертикального многотрубочного дефлегматора 7, соединительного колена 8, соединяющей верхнюю часть дефлегматора 7 с верхней частью второго теплообменника 10 такой же многотрубочной конструкции, также расположенном вертикально. Второй теплообменник 10 является конденсатором. В верхней части дефлегматора 7 установлен биметаллический термометр 9, термопара которого располагается в потоке спиртовых паров. Хладагент (например, вода) подан в межтрубное пространство обоих теплообменников одновременно через раздваивающийся патрубок 11 в нижней части теплообменников, таким образом в дефлегматоре 7 обеспечено прямоточное движение хладагента и паров, а в конденсаторе 10 - противоточное. Скорость подачи хладагента в межтрубное пространство дефлегматора 7 регулируется зажимом винтовым 12, установленном в раздваивающемся патрубке 11. Слив хладагента из обоих теплообменников объединен в один поток трубкой 13 в верхней части теплообменников с регулировкой зажимом винтовым 12. В съемной крышке 4 перегонного куба 1 установлен термометр 2 со щупом, который позволяет измерять температуру кипения сырья и делать вывод о содержании остаточного спирта в браге (брага крепостью 10% кипит при 80°С, а вода - при 100°С). Чем ближе температура на термометре к 100°С, тем меньше спирта осталось в браге и тем скорее надо прекращать перегонку. В крышке 4 куба 1 установлен клапан сброса давления 3. В случае перегревания и опасного увеличения давления в баке клапан сбрасывает лишний пар, что обеспечивает безопасность работы при повышении производительности устройства.
Работает устройство следующим образом. Пары из куба 1 поднимаются по царге (колонне) 6 и попадают в дефлегматор 7. Дефлегматор 7 представляет собой многотрубочный теплообменник с количеством трубок 2 и более. Пример осуществления показывает 4 трубки. Несколько трубок обеспечивают большую площадь конденсации для паров, чем одна трубка (по сравнению с прототипом), что значительно увеличивает производительность устройства.
Пары подаются в трубки дефлегматора 7, хладагент поступает в межтрубное пространство дефлегматор 7. В дефлегматоре 7 спирт из паров частично конденсируется и самотеком возвращается вниз - в колонну-царгу 6. В царге 6 конденсат (флегма), стекая в виде пленки жидкости, встречается с восходящими парами спирта. Тепломассобмен встречающихся паров и жидкости в царге 6 повышает градиент концентрации спирта в парах и флегме (обратном потоке), в результате которого пары поглощают из флегмы спирт, а флегма (возвратный поток) поглощает из паров воду. За счет этого пары укрепляются до крепости выше 90% об. (в теории возможно укрепление до 96% об. и получение чистого спирта).
В царге 6 для увеличения площади теплообмена могут устанавливаться различные контактные устройства, повышающие площадь взаимодействия жидкости и паров: например, металлические мочалки, металлическая стружка, различные регулярные насадки Панченкова, Зульцера, спирально-призматические насадки. При невысоких скоростях пара возможна эксплуатация без внутреннего наполнителя колонны - тепломассообмен осуществляется за счет пленки жидкости на поверхности колонны. Контроль температуры спиртовых паров осуществляется с помощью термометра 9. Щуп термометра установлен в потоке спиртовых паров. Укрепленные после дефлегматора 7 и царги 6 пары спирта попадают через соединительное колено 8 в холодильник (конденсатор) 10, представляющий собой также многотрубочный теплообменник, где за счет большего по сравнению с прототипом количества трубок (две и более) охлаждение происходит быстрее, что повышает производительность устройства. В холодильнике 10 пары конденсируются в жидкий спирт и поступают в приемную емкость через носик выхода продукта 15.
Хладагент (например холодная водопроводная вода) поступает в межтрубное пространство дефлегматора 7 и холодильника 10 через тройники 11 и трубки 13. Тройники 11 и трубки 13 могут отсутствовать, если подключается двухконтурное охлаждение. Регулирование охлаждения дефлегматора осуществляется с помощью винтового зажима 12, контролируемо перекрывающего трубку 13. Зажим 12 может отсутствовать, если флегмообразование контролируется нагревом перегонного куба 1 - например, при нагреве на бытовой кухонной плите с регулятором мощности нагрева.