Почему вакуумный пост, а не просто вакуумный насос? Ответ очевиден — чтобы проводить ВД нужно управлять вакуумом, поэтому необходимо дополнительное оборудование: вакуумный ресивер, датчик вакуума, клапан и пр. На рисунке изображена схема простого вакуумного поста (ВП) с водоструйным вакуумным насосом (ВВН).
Применение водоструйного вакуумного насоса для вакуумных технологий винокурения (ВТВ) позволяет достичь вакуума вплоть до -100кРа. Управление работой насоса осуществляется по сигналу с датчика давления (вакуума) путем включения (выключения) электромагнитного клапана открывающего или перекрывающего поток воды.
В практике POLE широко используются т.н медицинский водоструйный вакуумный насос (ВдВН) (рисунок). Чтобы повысить скорость откачки (форсировать), следует рассверлить отверстие жиклера как показано на рисунке. По опытным данным форсированный ВдВН имеет быстроту действия вакуумного насоса около 2 куб.м/час при расходе воды 450-500л/час, давлении 2,5-3 атм и температуре 8-12С.
К преимуществам ВдВН относится нечувствительность к спиртовым парам и простота конструкции. К недостаткам — высокие требования к расходу, давлению и температуре воды .
Результаты эксперимента по определению эксплуатационных характеристик медицинских водоструйных насосов.
Установка простая (рисунок).
Насосы форсированы — рассверлены жиклеры до ф3мм в патрубках подключения к вакуумируемой системе. Вакуумные линии ф10 мм. Суммарный объем ресивера и емкости (кег) — 40 литров, что много больше чем свободная от браги емкость вакуумной установки дистилляции (поправка на растворенный СО2). В емкости оставалось мизерное количество 40% дистиллята.
Данные эксперимента в таблице.
Комментарии.
1. При подключении 2 водостр.насосов в параллель удалось достичь давления только в 1,76 ат. Это ниже требуемых 2,5 ат, чтобы насосы работали в полную силу. Тем не менее удалось откачать емкости до -95кПа (точка кипения дистиллята) за 14:17 минут. При этом воды израсходовано 454 литра. Расход воды составил 1904 л/час (около 2 куб.м/час). Много это или мало? Для водопровода — много, для насосной станции (автономная система) нормально, можно подобрать насос.
2. Простой перерасчет эксп.данных на один водостр. насос (выделено курсивом) показывает, что при 1,76 ат время откачки 40 литров до -95кПа составит около 28 минут, объем потраченной воды 227 литров. Приемлемо это или нет? Если время нагрева браги в кубе до рабочей температуры сравнимо (равно или немного меньше/больше), то приемлемо.
3. При подключении одного и снятии характеристик каждого водостр.насоса выяснилось, что они сильно отличаются. Так, чтобы достичь вакуума в -95кПа левому насосу потребовалось 16:34 минуты (давление 3,38 ат) , а правому всего 13 минут (давление воды 3,16 ат). Возможно из-за разницы в сопротивлениях обратных клапанов. Разница в 3 минуты незначительная, но по возможности рекомендуется водоструйные насосы выбирать. Объем потраченной воды у водостр.насосов примерно одинаковый — 280-290л (чуть больше бочки). Время откачки сопоставимо со временем нагрева 40 литров браги до рабочей температуры при мощности нагрева около 2 кВт.
4. Проверка эффекта дросселирования обратного клапана. При подключении одного водоструйного насоса без клапана удалось снизить время откачки до 10:37 минут. Объем потраченной воды при этом снизился на 30 литров (до 251 л). Очевидно, что без клапана работа установки не возможна. следовательно нужно ставить либо механический обратный клапан, либо эл.магн. клапан с подключением к датчику вакуума. Исходя из стоимости клапанов и их подключению можно считать не целесообразным замену механического обратного клапана на эл.магнитный.
В практике вакуумного винокурения широко применяются сухие мембранные или поршневые вакуумные насосы (СВН). Они не чувствительны к спиртовым парам, но имеют недостаток — неуверенный старт (залипание) на предельных значениях вакуума, если мощность насоса недостаточна. В виду этого схема вакуумного поста с СВН усложняется (рисунок).
Если применить 3-х ходовой электромагнитный клапан, то атмосферный ресивер становиться ненужным, а замена механического обратного клапана на эл.магнитный позволяет снизить гидравлическое сопротивление вакуумной линии (рисунок).
В качестве трех ходовых эд.магнитных клапанов следует выбирать с диапазоном давлений от 0 мРа и диаметром условного прохода от 5 мм.
Примерный алгоритм работы вакуумного поста с СВН . На датчике давления выставлена уставка вакуума. Воздушный эл.магн. клапан закрыт. После включения СВН и откачки установки до уставки СВН по сигналу с датчика давления отключается. Одновременно сигнал с датчика давления посылается на таймер и через 1-2 сек (после выключения вак.насоса) кратковременно открывается эл.магн. клапан (на 5-10 сек) и запускает в атмосферный ресивер воздух. В атм.ресивере находится воздух при атм. давлении. При следующем срабатывании датчика вакуума СВН стартует при атм.давлении в атм.ресивере. После откачки атм.ресивера обратный клапан открывается и вак.насос начинает откачивать из установки.
По данным поршневой вакуумный насос (мощность 500Вт) при стартовом давлении 101,7кПа и объеме откачиваемой емкости 42,5 литра вакуум в -91,7кПа достигается за 4 минуты.
Имеется опыт использования для вакуумной дистилляции поршневого безмасляного компрессора КРАТОН AC-180-24-OFS. По данным коллеги Евгений (EVlzh69) данный компрессор откачивает до 7,2кРа остаточного давления (-94,1 кРа вакуума).
Для перегонки под вакуумом используются масляные вакуумные насосы (МВН) с широким диапазоном характеристик. Применение МВН требует его защиты от спиртовых паров, поэтому схема вакуумного поста (ВП МВН) значительно усложняется (рисунок).
Очевидно, что устройство вакуумного поста с МВН сложнее (рисунок). Помимо колонки осушителя (защита от спиртовых паров) предусматривается дополнительный эл.магн.клапан для опережающего перекрытия вакуумной линии, чтобы пары масла не успевали проникнуть в колонку и ресивер. Алгоритм работы вакуумного поста с МВН такой же как и у ВП СВН, только добавляется задержка отключения МВН на 1-2 сек после достижения уставки вакуума и включения эл.магн.клапана, перекрывающего вакуумную линию.
Вакуумный ресивер необходим для сглаживания скачков давления в установке при включении вак.насоса, а также позволяет снизить количество циклов старт/стопа ВН. Выбор объема ресивера определяется производительностью ВН и свободного объема установки. Для ресивера подходят любые баллоны, предназначенные для работы под давлением. В практике ВТВ в качестве ресиверов широко применяются пивные кеги, баллоны из-под фреона или гелия (рисунок).
При выборе обратных механических клапанов следует обращать внимание на величину давления открытия клапана (чем меньше тем лучше), обычно около 0,5-3 кПа. Хорошо зарекомендовали клапаны от автомобильных топливных систем (рисунок).
При выборе вакуумных линий следует обращать внимание на площадь поперечного сечения. Оптимально следует выбирать трубки с внутренним диаметром не менее 6-8 мм. Стенки вакуумных линий должны быть прочными и непроницаемы для газов. Кроме резиновых вакуумных шлангов широко применяются двухслойные армированные ПВХ шланги и гофрированные трубы из нержавеющей стали. Для жестких соединений могут применяться полипропиленовые сантехнические трубы.
Датчики вакуума
В процессе ВД требуется контролировать и управлять вакуумом. Стабильность вакуума главное условие проведения ВД при постоянном давлении. В качестве датчиков вакуума широко применяются аналоговые (вакуумметры, мановакуумметры) и цифровые датчики абсолютного и относительного давления.
Аналоговые вакуумметры (мановакуумметры) это стрелочные приборы со средним классом точности 1,5% пригодны для наблюдения за состоянием вакуума в системе и используются в качестве дублирующих цифровые датчики вакуума (рисунок).
Существуют эл.контактные аналоговые вакуумметры, которые позволяют управлять вакуумом по выходным сигналам (рисунок).
Проведенные POLE эксперименты с управлением ВД по сигналам с
эл.контактного аналогового вакуумметра показали, что для ВД при постоянном давлении эти приборы не годятся, тк. имеют большой гистерезис из-за механической конструкции. Для управления процессом ВД при постоянной температуре эти приборы не рекомендуется использовать по причине недостаточной точности. Чтобы управлять процессами ВД необходима точность измерений до 0,1кРа. Стрелочные приборы не имеют такой точности.
Цифровые датчики абсолютного и относительного давления обладают достаточной точностью и позволяют управлять вакуумом и проводить ВД без влияния на процесс кипения в кубе.
Широко применяются компактные цифровые датчики относительного давления Panasonic DP101 (рисунок) с диапазоном измерений от -100 до +100кРа.
Как правило в ВТВ датчик DP101 устанавливается на ресивер вакуумного поста. Датчик удобен в работе тем, что позволяет в процессе дистилляции оперативно менять уставку (пороговое значение регулировки) вакуума при необходимости коррекции процесса. В параметрах по умолчанию установлен гистерезис давления в 3 единицы, к примеру, на уставке -90кРа датчик подаст первый сигнал на -90, а второй на -89,8 кРа. При таком гистерезисе процесс кипения в кубе не прекращается.
Для подключения вакуумной линии у датчика на входном патрубке (порт давления) предусмотрены две резьбы: М5 внутренняя резьба и 1/8 наружная резьба. Для дополнительных данных следует ознакомится с инструкциями на сайте Panasonic.
Чтобы избежать влияние изменений атмосферного давления на процесс дистилляции следует организовать периодичность включения датчика DP101 раз в 3-5 минут. Поскольку этот датчик относительный, во время его включения происходит сравнение уставки давления с текущим значением атмосферного давления.
Получает распространение практика использования цифровых датчиков абсолютного давления, типа BD SENSORS DMK331 и др. В отличие от датчика DP101, цифровые датчики абсолютного давления необходимо подключать к исполнительным устройствам (контроллерам) типа микропроцессорного измерителя-регулятора для измерения, регистрации и/или регулирования параметров различных сред.
Тенденция на применение цифровых датчиков абсолютного давления обусловлена возможностью автоматизированного расчета спиртуозности дистиллята по показаниям датчика вне зависимости от изменений атмосферного давления в процессе вакуумной дистилляции. Это необходимо прежде всего для полной автоматизации процесса путем переключения клапанов и распределения потоков дистиллята в разные приемные емкости, а также для остановки процесса в конце перегонки.
Вакуумные насосы
Выбор вакуумного насоса определяется в первую очередь его производительностью, на основании предполагаемых величин: свободный объем установки, начальное время вакуумирования
и предельного значения вакуума.
Расчетные характеристики вакуумных насосов и ресиверов для начального вакуумирования установки за 10 минут до вакуума -90кРа (без учета времени на откачку растворенных в браге газов и диаметра вакуумных линий).
В расчете учитывается свободный объем во всех аппаратах установки примерно 10% от суммарного объема куба и ресивера.
При кратном увеличении времени вакуумирования установки расчетная производительность вак.насоса изменяется пропорционально. К примеру, если время откачки 300 л куба (свободный объем установки -198 л) принимается — 30 минут, то расчетная производительность вак.насоса составит 1,678 куб.м/час или 28 л/мин.
Во вторую очередь следует обращать внимание на предельную величину вакуума (предельное остаточное давление), которую может дать вакуумный насос. Рекомендуется выбирать насос с запасом, к примеру, рабочий вакуум в установке — 90кПа, предельная величина вакуума насоса — не менее -100кПа.
В третью очередь следует обращать внимание на ресурс насоса до замены расходных комплектующих или его ремонта.
При определении типа вакуумного насоса (водоструйный или водокольцевой, масляный, безмасляный: поршневой или мембранный/диафрагменный) следует обратить внимание на фактор цена/качество исходя из достоинств и недостатков насосов. К примеру, масляные насосы по производительности, глубине вакуума и цене предпочтительнее безмасляных вак.насосов, однако обладают недостатком — загрязнение вакуумного масла спиртовыми парами. Это может привести к поломке насоса, поэтому требует специальных защитных мер, что повышает стоимость вакуумного поста. Безмасляные вакуумные насосы не чувствительны к спиртовым парам, но имеют недостатки: затрудненный пуск на предельном вакууме и дорогие рем.комплекты.
Рассмотрим примеры подбора вакуумного насоса.
Пример 1. Задача — ВД с укреплением из браги на имеющемся 50л кубе. Согласно таблице производительность вак.насоса 0,84 куб.м/час (14 л/мин). С учетом запаса необходимая производительность 1 куб.м/час. Учтем то, что в браге содержатся растворенные газы, которые снижают время вакуумирования установки, примерно в 1,5-1,8 раз. Таким образом, с учетом растворенных газов и возможных микроутечек выбираем вакуумный насос производительностью до 2 куб.м/час. Рекомендуется проводить ВД браги при температурах до 45С, что по вакууму составляет -92кРа. Значит по вакууму насос должен иметь нижний предел примерно -96-98кРа. Из сухих вакуумных насосов такие характеристики имеют мембранные (диафрагменные) насосы. Таких насосов в продаже много.
Пример 2. Задача — ВМ с целью получения ароматных водок из крепких или разбавленных мацератов. Из аппаратуры куб 25л. По таблице получаем производительность насоса 0,42 куб.м/час (7 л/мин). Учитываем, что в мацерате нет растворенных газов. Считаем что ресивер является приемной емкостью. Если принять время откачки не 10, а 15 минут, то подходит насос производительностью 6 л/мин. Рекомендуемая температура — выше 70С и вакуум — 80кРа (с учетом запаса). Очевидно, что чем выше крепость, тем вероятнее проскок спиртовых паров в насос. Следовательно нужно выбирать безмасляные вакуумные насосы. Под ходят как поршневые, так и мембранные конструкции.
Запорная арматура — краны и клапаны. Краны лучше использовать шаровой конструкции. Из-за низких температур возможно применение латунных кранов с никелевым покрытием. Для капельного отбора можно использовать игольчатые вентили с плотной фторопластовой набивкой. Основное требование к электромагнитным клапанам для старт/стопа — выносная охлаждаемая катушка, чтобы дистиллят не перегревался и не происходило «завоздушивание» клапана, что приводит к остановке отбора.
Обратный механический клапан следует устанавливать непосредственно перед вакуумным насосом после ресивера, чтобы при отключении насоса система не завоздушивалась. Можно применять переделанные автомобильные топливные обратные клапана с подпружиненной силиконовой шайбой (рисунок).
Вакуумная и дистиллятная линии. Вакуумная линия не должна схлопываться от вакуума и может быть из пластиковых или ПВХ трубок. Линия по которой течет дистиллят (дистиллятная) должна быть из твердого инертного к спирту материала (тефлоновая трубка или толстостенная силиконовая трубка). Соединения между трубками должны обеспечивать герметичность по вакууму. Можно применять отрезки силиконового шланга при соединениях трубок встык без зазоров, либо использовать пневматические быстроразъемные или винтовые соединения.
Надеемся, что данная информация позволит винокурам самостоятельно собрать вакуумный пост, к примеру такой конфигурации.
Лаборатория вакуумного винокурения POLE 