ДИСТИЛЛЯТОР-ТРАНСФОРМЕР
DISTILLER-TRANSFORMER

Изобретение относится к бытовым устройствам для получения алкогольных напитков, в частности к дистилляционным колоннам, и может быть использовано для изготовления алкогольных напитков различной крепости от слабоалкогольных до чистого спирта в домашних условиях на одном аппарате как из традиционного, так и из сложноуглеводного и крахмалистого сырья.
Известно техническое решение по патенту RU №2739919 C1, B01D 3/00 (2020.08) C12G 3/02 (2020.08) от 10.01.2020, по которому УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ДИСТИЛЛЯТОР ТРАНСФОРМЕР выполнен так, что основные узлы и детали устройства являются модулями с возможностью перестановки, обеспечивающими работу устройства в режимах производства всех этапов производства спирта: режима осахаривания, режима сбраживания, режима простой перегонки, режима ректификации спирта, при этом в максимальной комплектации для режима ректификации спирта дистиллятор содержит перегонный куб со съемной крышкой, термометром и сливным краном, фальш-дно, установленную на съемную крышку непрозрачную колонну-царгу, установленную на нее сверху прозрачную колонну-царгу, оснащенную шпильками, установленный на прозрачную царгу узел отбора, выполненный в виде трубы с боковым патрубком, оснащенный смотровым стеклом и гильзой под термометр; шаровый кран, установленный на боковой патрубок узла отбора, выполненный с загнутым вниз под углом 90 градусов отводом, теплообменник-конденсатор, закрепленный к отводу шарового крана, носик выхода готового продукта, закрепленный к теплообменнику, на верхний фланец узла отбора закреплен теплообменник-дефлегматор, сверху на него закреплена заглушка с трубкой уравнивания давления в колонне; гибкую трубку, подведенную к нижнему штуцеру теплообменника-конденсатора, гибкую трубку, соединяющую конденсатор и дефлегматор, гибкую трубку отвода теплоносителя из дефлегматора. Известная конструкция обеспечивает расширение функциональных возможностей за счет модульной конструкции устройства с возможностью трансформации в четыре варианта сборки для осуществления всех этапов производства чистого спирта на одном устройстве.
Однако, практика показала, что известная конструкция по патенту RU №2739919, являющаяся прототипом заявляемого технического решения, имеет существенный недостаток - низкую скорость перегонки чистого спирта. При этом простое увеличение температуры нагрева и диаметра царги в известной конструкции вызывает ряд нежелательных процессов в колонне: пристеночный эффект, наклон колонны вбок из-за увеличения размеров крана узла отбора и конденсатора; нарушение центрирования флегмы - все эти процессы уменьшают крепость спирта на выходе и не позволяют делать качественный спирт на высоких скоростях перегонки.
Главным недостатком известной конструкции является низкая скорость перегонки по спирту, которую нельзя увеличить прямым увеличением мощности нагрева и диаметра колонны (царги), которые приводят к снижению качества конечного продукта. Для устранения этого недостатка предлагается совокупность конструктивных изменений основных узлов устройства.
Заявляемое техническое решение устраняет указанные недостатки.
Цель изобретения - повышение производительности дистиллятора трансформера с сохранением качества конечного продукта - высокой крепости спирта. Для этого в заявляемом техническом решении предлагается ряд конструктивных изменений основных узлов устройства для увеличения скорости перегонки с повышением производительности производства спирта без снижения качества конечного продукта.
Техническая задача - изменение конструкции для реализации возможности увеличения диаметра колонны (царги) без ухудшения качества конечного продукта.
В конструкции прототипа (техническое решение по патенту RU №2739919) увеличение диаметра колонны неизбежно вызовет необходимость увеличивать узел отбора, а так как узел отбора регулирует соотношение отбираемого и возвратного спирта в паровой фазе, сильно увеличивается в размерах регулирующий вентиль и конденсатор продукта, что вызывает перекос колонны на одну сторону и вызывает стекание флегмы по одной стенке, а это нарушает процесс тепломассообмена в царге. В конечном итоге, после прямого линейного увеличения размеров указанных узлов дистиллятор вообще не будет производить чистый 96% спирт с высокой скоростью. Поэтому в заявляемом техническом решении произведены неочевидные изменения конструкции, при которых узел отбора регулирует соотношение отбираемого и возвратного спирта в жидкостной фазе, а трубки и теплообменники для ее отвода в десятки раз меньше по диаметру, чем трубы для парового отбора.
Прямое линейное увеличение диаметра колонны прототипа может вызвать так называемый «пристеночный» эффект, потому что в конструкции прототипа отсутствуют конструктивные преимущества, направляющие флегму точно в центр колонны а когда возвратный спирт попадает не в центр насадки, а к стенкам, тепломассообмен нарушается (смешивается с конденсатом) и в конечном итоге, прибор вообще не будет производить чистый 96% спирт. Для устранения этого недостатка в конструкции узла отбора в заявляемом техническом решении предусмотрены концентратор флегмы (в виде совокупности нескольких трубок), чаша и отводные трубки для вывода жидкости из чаши. Это заставляет возвратный спирт попадать в центр насадки, при этом тепломассообмен не нарушается, а дистиллятор производит чистый 96% спирт с высокой скоростью;
Кроме того, в конструкции прототипа пристеночный эффект может возникать вследствие охлаждения стенки колонны (например, в холодных помещениях). Для устранения указанного недостатка в заявляемом техническом решении царги колонны покрыты термоизолирующим полимерным материалом.
Таким образом, недостатки конструкции, не позволяющие увеличить мощность перегонки в конструкции прототипа по патенту RU №2739919, устранены в заявляемом техническом решении.
Конструкция дистиллятора сохраняет модульность как у прототипа, позволяющую путем перестановки отдельных узлов и частей, произвести все этапы производства: варка зернового сусла из зерновых/солода; постановка браги для перегонки в емкости; перегонка спирта-сырца (самогона) из браги; ректификация сырца в чистый спирт.
Сборка дистиллятора в различных режимах (трансформация) обеспечивается универсальным креплением компонентов хомутом ("кламп") таким образом, что отдельные части прибора можно соединять друг с другом в любой нужной последовательности
При этом основные узлы дистиллятора конструктивно усовершенствованы с целью повышения производительности - достижения большей скорости перегонки с высоким качеством конечного продукта.
Во первых, это перегонный куб, в центральной части которого установлен термометр датчиком внутри куба, также в нижней трети объема перегонного куба сделано кольцевое вдавливание стенки на глубину 0,5-1 см, на котором установлено фальш-дно, представляющее собой диск с отверстиями и ручкой для установки и извлечения из куба; в нижней части куба установлены два штуцера для установки ТЭНа и устройства для слива остатка; перегонный куб закрывается куполообразной крышкой, с помощью большого хомута-стяжки; на крышке располагается аварийный клапан сброса давления;
Во вторых, на крышку перегонного куба закреплена полая металлическая колонна-царга, утепленная снаружи термоизолирующим трубным утеплителем из вспененного полимера; в верхней части царги установлен термометр, чувствительный конец которого находится внутри царги; при этом в заявляемом изделии может быть несколько таких царг, установленных одна на другую. Модульность конструкции позволяет для увеличении подводимой мощности и скорости перегонки спирта увеличивать высоту устройства до пяти ярусов царги и получать большее количество спирта без потери крепости.
Царга для тепломассообмена заполнена насадкой разных типов: нижняя часть 5-10% от объема царги заполнена регулярной проволочной насадкой («мочалкой») из металлической проволоки. Данная насадка сворачивается в "рулончик" и туго утрамбовывается в нижнюю часть царги, выполняя опорную функцию; на нее до верхнего края царги насыпается спирально-призматическая насадка - кусочки 2-6 мм нарезанной спирали из нержавеющей проволоки, внешне похожие на маленькие пружинки;
В третьих, узел отбора, установленный на царгу сверху, представляет собой металлическую чашу с отводом товарного спирта из дна чашки в боковую часть и далее в доохладитель дистиллята. Возвратный спирт, отправляемый на орошение колонны, поступает точно в чашу с помощью концентратора флегмы и направляется на насадку через несколько отводных трубок в центральной части чаши. Боковые стенки корпуса узла отбора выполнены из термостойкого стекла, в результате чего они выполняют роль смотрового диоптра для контроля за процессом. К теплообменнику-дефлегматору узел отбора крепится с помощью шпилек. Крепление узла отбора к дефлегматору может также осуществляться с помощью хомута типа «кламп».
В четвертых, кожухо-трубный многотрубчатый теплообменник-дефлегматор имеет внутри перегородки в виде пластин с отверстиями для турбулентного движения хладагента и увеличения теплообмена; на дефлегматор сверху с помощью крепления «кламп» устанавливается заглушка с трубкой связи с атмосферой.
В пятых, доохладитель дистиллята представляет собой кожухо-трубчатый теплообменник, в который направлен готовый спирт из бокового отвода узла отбора, установлен вентиль с возможностью регулировки количества спирта; доохладитель дистиллята оснащен гибкими трубками из полимерного материала с возможностью подвода хладагента к нижнему штуцеру доохладителя дистиллята, вывода его из верхнего штуцера и направления в теплообменник-дефлегматор, и отвода нагретого теплоносителя из верхнего штуцера теплообменника.
В шестых, в конструкцию введен трубный переходник, обеспечивающий разворот на 180° паровых потоков от царги в теплообменник в режиме простой перегонки.
Технический результат - повышение производительности производства спирта высокой очистки на бытовых устройствах для получения алкогольных напитков.
Технический результат достигается за счет конструкции дистиллятора трансформера, содержащей узлы и детали: перегонный куб, фалын-дно, царги, кожухо-трубный многотрубчатый теплообменник-дефлегматор, гибкие трубки, узел отбора, соединенные системами крепления и имеющие датчики контроля, при этом узлы и детали являются модулями с возможностью перестановки, обеспечивающими работу устройства в режимах производства всех этапов производства спирта: режима осахаривания, режима сбраживания, режима простой перегонки, режима ректификации спирта. Конструкция отличается тем, что перегонный куб выполнен с кольцевым бортиком, вдавленным внутрь в стенке куба на расстоянии не выше одной трети от дна; царга выполнена в виде полой металлической колонны, утепленной снаружи термоизолирующим утеплителем, установленной на крышке перегонного куба, с возможностью установки одна на другую больше двух ярусов; царга заполнена насадкой разных типов: нижняя часть до 10 процентов от объема царги регулярной проволочной насадкой из металлической проволоки, остальной объем заполнен спирально-призматической насадкой; узел отбора содержит металлическую чашу с боковым отводом жидкости, с концентратором флегмы в виде трубок от теплообменника-дефлегматора к дну чаши, при этом отводные трубки от отверстий в центральной части дна чаши соединены с насадкой царги; боковые стенки корпуса узла отбора выполнены из термостойкого стекла, узел отбора закреплен к теплообменнику-дефлегматору с помощью шпилек; кожухо-трубный многотрубчатый теплообменник-дефлегматор имеет внутри перегородки в виде пластин с отверстиями для турбулентного движения хладагента для большего теплообмена; на дефлегматор сверху с помощью крепления «кламп» установлена заглушка, оснащенная трубкой связи с атмосферой; доохладитель дистиллята выполнен в виде кожухо-трубчатого теплообменника, оснащенного вентилем для регулировки отбора готового спирта; штуцеры теплообменника оснащены гибкими трубками для подвода и отвода хладагента.
Как частный случай, царга утеплена снаружи трубным утеплителем из вспененного полимера. В центральной части перегонного куба установлен термометр с датчиком внутри куба. В верхней части колонны царги установлен термометр с датчиком внутри царги. В нижней части перегонного куба установлены штуцеры для ТЭНа и устройства для слива остатка.
Сущность технического решения поясняется изображениями на фиг. 1-7.
Фиг. 1. Универсальное соединение всех узлов и модулей устройства методом стягивания фланцев хомутом типа «кламп».
Фиг. 2. Общий вид узлов изделия в разобранном и собранном виде.
Фиг. 3. Теплообменник-дефлегматор с узлом отбора.
Фиг. 4. Узел отбора (крупно).
Фиг. 5. Установка фальш-дна в режиме осахаривания солода.
Фиг. 6. Сборка в режиме брожения.
Фиг. 7. Общий вид сборки прибора в режиме простой перегонки.
Где 1 - перегонный куб;
2 - термометр на перегонном кубе;
3 - фальш-дно;
4 - штуцер (патрубок)
5 - крышка перегонного куба;
6 - царга;
7 - датчик температуры (термометр);
8 - термоизолирующий полимерный материал;
9 - насадка;
10 - узел отбора;
10.1 - чаша узла отбора;
10.2 - отводные трубки;
10.3 - шпильки крепления узла отбора;
10.4 - концентратор флегмы;
10.5 - боковой отвод готового продукта;
11 - дефлегматор;
11.1 - перегородки теплообменника-дефлегматора;
12 - доохладитель дистиллята;
13 - заглушка с трубкой связи с атмосферой;
14 - вентиль;
15 - гибкая полимерная трубка;
16 - трубный переходник.
Пример осуществления.
Дистиллятор трансформер содержит:
- перегонный куб 1, в центральной части которого установлен термометр 2, также в нижней трети перегонного куба 1 сделано кольцевое вдавливание стенки на глубину 0,5-1 см, на котором располагается фальш-дно 3, представляющее собой диск с отверстиями и ручкой для установки и извлечения из куба; в нижней части куба 1 вварены два штуцера 4 для установки ТЭНа и устройства для слива остатка; куб закрывается куполообразной крышкой 5, с помощью большого хомута-стяжки; на крышке располагается аварийный клапан сброса давления;
- полую металлическую колонну-царгу 6, закрепленную на крышке 5, в верхней части которой установлен термометр 7, чувствительный конец которого находится внутри царги; царга 6 снаружи утеплена термоизолирующим трубным утеплителем 8 из вспененного полимера; в заявляемой конструкции может быть установлено несколько таких царг 6, установленных одна на другую до пяти ярусов. Модульность конструкции позволяет при увеличении подводимой мощности и скорости перегонки спирта увеличивать высоту устройства и получать большее количество спирта без потери крепости;
- царга 6 для тепломассообмена заполнена насадкой 9 разных типов: нижняя часть объема царги 6 на 5-10% - заполнена регулярной проволочной насадкой («мочалкой") из металлической проволоки. Данная насадка сворачивается в "рулончик" и туго утрамбовывается в нижнюю часть царги 6, выполняя опорную функцию; на нее до верхнего края царги 7 насыпается спирально-призматическая насадка - кусочки 2-6 мм нарезанной спирали из нержавеющей проволоки, внешне похожие на маленькие пружинки;
- узел отбора 10, установленный на царгу 6 сверху, (подробно показан на фиг. 3, 4) вместе с теплообменником-дефлегматором 11. Узел отбора 10 представляет собой металлическую чашу 10.1 с отводом товарного спирта из дна в боковую часть и далее в доохладитель дистиллята 12 (фиг. 2). Возвратный спирт, отправляемый на орошение колонны, поступает точно в чашу с помощью концентратора флегмы 10.4 и направляется на насадку 9 через отводные трубки 10.2 в центральной части чаши. Стенки узла отбора 10 выполнены из термостойкого стекла, в результате чего они выполняют роль смотрового диоптра для контроля за процессом. К теплообменнику-дефлегматору 11 узел отбора 10 крепится с помощью шпилек 10.3. Крепление узла отбора 10 к дефлегматору 11 может также осуществляться с помощью хомута типа «кламп».
- кожухо-трубный многотрубчатый теплообменник-дефлегматор 11 выполнен с перегородками 11.1 внутри в виде пластин с отверстиями для турбулентного движения хладагента для большего теплообмена;
- на дефлегматор 11 сверху с помощью крепления «кламп» устанавливается заглушка 13, оснащенная трубкой связи с атмосферой;
- готовый спирт из бокового отвода 10.5 узла отбора 10 направляется в доохладитель дистиллята 12, представляющий собой кожухо-трубчатый теплообменник, количество отбора регулируется вентилем 14;
- подвод хладагента (охлаждающей воды) к аппарату осуществляется с помощью гибкой трубки из полимерного материала 15, которая подводится к нижнему штуцеру доохладителя дистиллята 12; выходящая вода из второго штуцера доохладителя дистиллята 12 с помощью короткого отрезка гибкой трубки 15 направляется в теплообменник-дефлегматор 11; далее нагретый теплоноситель отводится из верхнего штуцера теплообменника 11.
- Для сборки в режиме простой перегонки в конструкцию заявляемого изделия входит трубный переходник 16, обеспечивающий разворот на 180° паровых потоков от царги в теплообменник в режиме простой перегонки (фиг. 7).
Работа устройства осуществляется следующим образом. Благодаря модульности конструкции возможно производить все этапы производства чистого спирта на одном компактном устройстве в условиях небольшого производственного помещения или квартиры. Для этого прибор собирается и работает в 4 различных режимах.
Режим 1 - осахаривание (варка солода)
Производство спирта начинается со сбраживания сырья. В результате брожения дрожжи выделяют спирт. Осуществление сбраживания на патентуемой модели описано во 2 режиме.
Но крахмалистое сырье, например, зерновые (пшеница, ячмень, рожь) или несладкие овощные культуры, невозможно сбродить без горячей ферментации (варки солода) в результате чего крахмал зерна распадается на простые (сладкие) сахара, которые уже могут быть превращены в спирт дрожжами при брожении. Поэтому сначала описан 1 режим - осахаривание.
В режиме осахаривания (варки сусла) прибор собирается в следующем виде (фиг. 4). Это 1 режим - режим варки сусла или режим пивоварни. Зерновой солод (пророщенное и смолотое зерно) помещают в куб 1, заливают водой и начинают нагрев. Фальш-дно 3 за счет прорезей в нем не позволяет зерновому солоду касаться дна и пригорать.
При достижении температуры, необходимой для того, чтобы ферменты пророщенного зерна разложили крахмал на простые сахара ("термопауза осахаривания", от 60 до 72°С), нагрев останавливают и выдерживают 1-2 часа. Для разных видов солода термопауза осахаривания разная или их может быть несколько, в любом случае температура контролируется термометром 2. После окончания термопаузы и остывания, осахаренное сусло сливается через штуцер (патрубок) 4, на который с помощью хомута типа «кламп» может быть установлен сливной кран или насос. Фальш-дно 3 выполняет роль фильтрующего сита. Осахаренное сусло готово к внесению дрожжей и брожению. Если сырье используется для последующей перегонки спирта, далее используют 2 режим (брожение). Если сусло используют для приготовления пива, его снова заливают в куб 1, добавляют хмель, варят 1-2 часа (по рецепту) и только после этого переходят к режиму 2 - брожение.
2 режим - брожение.
В результате брожения сладкое сусло превращается в брагу дрожжами. Могут быть сброжено естественно-сладкое сырье - сахар, мед, патока, соки и выжимки фруктов, ягод, плодов; а также несладкое сырье, осахаренное методом ферментации - см. режим 1. Сбраживанием получают не только брагу для последующей перегонки, но и вино, пиво, сидр и другие слабоалкогольные напитки брожения.
Сбраживаемое сырье заливается в перегонный куб 1 прибора и туда же помещаются дрожжи. Куб герметично с помощью хомута-стяжки закрывается съемной крышкой 5; на патрубок выхода под колонну кламповым соединением крепится заглушка с трубкой 13; на выход надевается гибкая полимерная трубка 15, конец которой отводится в емкость с водой, образуя гидрозатвор. Таким образом в кубе происходит брожение сырья (браги), образующийся при брожении углекислый газ свободно выходит из емкости, "пробулькивая" через воду. А плесневые грибки и бактерии не могут попасть внутрь, тем самым брага защищена от порчи и скисания. Кислород воздуха также не попадает внутрь бродильной емкости, предотвращая аэробное брожение и выделение уксуса. Термометр 2 на перегонном кубе позволяет контролировать температуру брожения. Окончание брожения можно отслеживать по прекращению выхода пузырьков газа из гидрозатвора.
Продукты брожения могут быть как самостоятельными напитками (вино, сидр), так и пускаться дальше на перегонку (брага). Таким образом, технический результат патентуемой модели - получение чистого спирта и любых алкогольных напитков на одном устройстве, достигается.
3 режим - простая перегонка.
В режиме простой перегонки (фиг. 7) из браги при нагревании испаряются легкокипящие компоненты - спирт и некоторые примеси - и конденсируются в продукт крепостью 50-60%. Если используется ароматное сырье - фруктовые и ягодные браги - в результате получается винный или коньячный спирт, который после выдержки в дубовых бочках превращается в коньяк или бренди. Из браги, изготовленной из зерновых (ячменя, пшеницы и т.д.), изготавливается вискарный сырец, и после выдержки, виски. Если используется неароматное сырье, не пригодное для «благородных» дистиллятов, в результате простой перегонки получается спирт-сырец, который далее идет на ректификацию чистого 96% спирта (4 режим).
Полученная брага (2 режим) заливается в перегонный куб 1. Он герметично закрывается съемной крышкой 5; если брага пенная, например, зерновая, в качестве пеногасителя может быть установлена царга 6, не позволяя частичкам браги при интенсивном кипении попасть в продукт. При нагреве куба происходит испарение спирта и легкокипящих компонентов из браги. На царгу устанавливается трубный переходник 16, обеспечивающий разворот паровых потоков на 180 градусов. После него крепится теплообменник-дефлегматор 11. Пары продукта конденсируются в теплообменнике 11.
На выход устанавливается носик выхода. Охлаждающая вода подводится так, чтобы создавался ее противоток относительно паров спирта: к штуцеру теплообменника 11 с помощью трубки 15; отвод хладагента из межтрубного пространства осуществляется с помощью второго отрезка трубки 15, подключенного к верхнему штуцеру теплообменника 11.
Таким образом, техническая задача данного этапа выполняется - прибор из своих модулей собирается в классический перегонный аппарат, в результате перегонки может быть получен спирт-сырец крепостью 40-60 градусов для последующей ректификации в чистый 96% спирт, а также продукты классической дистилляции - чача, бренди, виски, самогон.
4 режим - ректификация.
При ректификации для полного выделения чистого спирта из браги, часть спирта возвращается в колонну. Возвращаемый поток спирта, направляемый на орошение колонны и насадки в ней, называется флегмой. В заявляемом техническом решении используется известный классический принцип тепломассобмена, при котором поднимающиеся из куба спиртовые пары обогащаются из флегмы спиртом, а флегма насыщается водой и примесями и возвращает их обратно в куб. Таким образом на выходе получается чистый спирт без примесей и посторонних запахов.
Сборка прибора в режиме ректификации показана на фиг. 2, 3. В куб 1 заливается спирт-сырец крепостью 30-40%, полученный при простой перегонке (3 режим). Перегонка сырца такой крепости позволяет использовать высоту колонны не более 1-1.5 метра для достижения крепости спирта 96%, что позволяет использовать прибор в условиях небольших помещений и квартир.
При нагреве сырца, спиртовые пары испаряются, и, поднимаясь по царге 6 вверх, попадают в дефлегматор 11. В дефлегматоре спирт конденсируется и самотеком попадает в узел отбора 10, где делятся на отбираемый и возвратный поток. Возвратный поток (флегма) отправляется обратно в колонну. В колонне на насадке происходит тепломассообмен флегмы с поднимающимися из куба 1 спиртовыми парами.
Контроль за производством чистого спирта осуществляется с помощью термометра 7 в верхней части царги 6 и термометра на кубе 2. Температура на верхнем термометре должна поддерживаться в районе 78°С - температуре кипения чистого спирта. При отклонении от этой температуры управляющим воздействием на вентиль 14 можно увеличивать или уменьшать количество флегмы и, тем самым, тепломассообмен в колонне, обеспечивая стабильную крепость и чистоту спирта - 96%. Деление потока или управление флегмовым числом вентилем значительно облегчает регулировку процесса ректификации. По мере работы, количество спирта в кубе уменьшается и крепость на выходе может падать.
Как только температура начинает расти, достаточно уменьшить отбор, закрывая кран, тем самым в колонну будет поступать больше флегмы, тепломассообмен возрастет и крепость и чистота спирта на выходе не будет отклоняться от требуемого максимума в 96 градусов. Окончательное истощение спирта в кубе 1 показывает термометр на кубе 2. Как только температура кипения приблизится к 100°С (температура кипения воды), это означает, что в кубе 1 осталась только вода и перегонку можно прекращать. Однако чаще рекомендуется останавливать перегонку при 94-97°С, предотвращая прохождение "хвостовых" примесей в напиток.
Совокупность конструктивных решений, описанных в заявляемом техническом решении, позволяют повысить производительность дистиллятора трансформера и получать чистый спирт с большей скоростью, чем известная конструкция-прототип и другие конструкции домашних дистилляционных колонн.