Царги укрепления

Как и при атмосферной дистилляции в технологии вакуумной дистилляции с укреплением используются специальные устройства — царги укрепления. По конструкции они, в основном, представляют собой трубу, заполненную элементами, на которых происходит массопередача спирта и примесей при массообмене  паров и возвратной флегмы. По режиму массообмена царги различают на барботажные и пленочные.  Барботажные царги оснащаются сетчатыми или колпачковыми тарелками. Пленочные царги содержат насадку или трубки.

В вакуумной дистилляции с укреплением (ВДу) получили распространение царги с колпачковыми тарелками и с многотрубными конструкциями. Поскольку насадки имеют высокое гидравлическое сопротивление и высокую степень укрепления насадочные царги не получили широкого распространения.  Известно, что насадочных царгах проведен успешный эксперимент по получению спирта повышенной крепости (98+%).

Царги с колпачковыми тарелками широко представлены в продаже и
стабильно  работают в вакууме, но при условии отсутствия взрывного вскипания в кубе, точной автоматизации процесса кипения и отбора дистиллята. К недостаткам этих царг можно отнести высокое гидравлическое сопротивление, что требует мощного источника вакуума.

Многотрубные мультипленочные царги (ММЦ) относительное новое технологическое решение, разработанное POLE на основе идей технологии Линас. На рисунке представлен эскиз ММЦ, разработанной POLE. 

Фото ММЦ в стеклянном корпусе.

Конструктивно ММЦ состоит из множества труб одинакового сечения (многотрубность) и является промежуточным, несущим конструкционным элементом установки (царгой), скрепляющим куб и конденсатор паров. В основе процесса укрепления лежит массоперенос молекул спирта из пара в пленку, стекающую по внутренней поверхности множества трубок (мультипленочность) и наоборот. Причем по высоте трубки пленка разная по составу примесей во флегме.

Примерный механизм процесса укрепления. Пар из куба поступает внутрь множества трубок. Часть отбираемого дистиллята (флегма) направляется во внутрь ММЦ в межтрубное пространство, где нагревается и закипает (рисунок), тем самым отнимая тепло от трубок. За счет этого внутри, на поверхности, трубок возникает пленка внутренней флегмы. Молекулы воды, спирта и др. примесей переносятся из пара во внутреннюю флегму и наоборот. Процесс массопереноса происходит многократно по высоте внутри трубок.

 Видео процесса закипания флегмы в межтрубном пространстве.

Опытная эксплуатация ММЦ с разным количеством трубок на экспериментальных установках POLE показала отличные результаты: укрепление дистиллята до 85% с сохранением исходного аромата сырья, незначительное гидравлическое сопротивление, высокую устойчивость к взрывному закипанию, простота управления укреплением путем поддержки уровня флегмы и согласованного отбора дистиллята.

Автоматическая поддержка уровня флегмы в межтрубном пространстве и отбора дистиллята может осуществляться двумя способами (рисунок), с автоматизированным (схема POLE) и механическим управлением (схема Андрей751) . 

В схеме с автоматизированным управлением применяется электромагнитный клапан, который работает в режиме старт/стоп по сигналу от датчика уровня дистиллята в межтрубном пространстве. При закрытии электро магнитного клапана вся холодная флегма из конденсатора пара поступает на распределитель возвратной флегмы и равномерно стекает по наружной поверхности трубок в межтрубное пространство. Тем самым достигается максимально возможный режим охлаждения трубок. Недостатки этой схемы в использовании устройств, требующих электрического питания и наличие дополнительных соединений, что может приводить к протечках воздуха в установку. 

В схеме с механическим управлением холодная флегма из конденсатора пара поступает в межтрубное пространство через обратный мех. клапан. Охлаждение трубок обеспечивается только за счет кипения флегмы. Недостаток этой схемы — дистиллят с более высоким содержанием примесей, чем в первой схеме, за счет проскока паров примесей в конденсатор из-за слабого охлаждения трубок. 

Особенности изготовления многотрубной мультипленочной царги.

Основным трудоемким узлом ММЦ является сборка из множества трубок, вставленных в трубные решетки. Трубки рекомендуется брать диаметром от 6,5 до 8 мм (внутренний). Чем тоньше стенка тем эффективнее работает трубка. Оптимальная длина трубок 28-32 см.

Внизу сборки (у трубной решетки) требуется герметичность. Успешно опробованы четыре способа создания герметичности соединения трубка-трубная решетка: сварка, пайка мягким припоем, тугая посадка и заливка силиконовым герметиком.

Сварка является наиболее трудоемким способом и требует высокой квалификации. Первая ММЦ со сварной конструкцией сборки трубок выполнена Александром Морозовым.

Пайка оловом тоже трудоемка, но проще и доступнее. Первая и вторая царга POLE выполнены на пайке оловом (с 3% меди). Эти ММЦ работают как в вакууме при невысоких температурах, так и на атмосфере при температурах до 100С.

В третьей царге POLE применена заливка трубной решетки силиконовым герметиком (первый рисунок на странице — Фото ММЦ в стеклянном корпусе). Метод простой, но есть некоторое неудобство нанесения герметика и выравнивая поверхности между трубок. Тем не менее ММЦ работает безукоризненно (видео вначале страницы).

Самым простым методом является тугая посадка ровной трубки во фторопластовую решетку, либо витой трубки через тонкий силиконовый шланг в ту же фторопластовую решетку.

Еще одной сложной конструктивной особенностью ММЦ является применение стеклянного цилиндра в качестве корпуса, что связано с удобством визуального наблюдения за процессом. В данном случае требуется обеспечить надежное крепление стеклянного цилиндра к фланцам через силиконовые прокладки. Толщина стенки стеклянного цилиндра должна быть достаточной для выдерживания механической нагрузки. Это приводит к усложнению и утяжелению ММЦ.

В действительности, после некоторого опыта работы, необходимость в стеклянном корпусе отпадает, тк. контролировать процесс можно по заполнению флегмой поплавковой камеры и по показаниям температурных датчиков. POLE собраны и успешно работают две ММЦ со стальным корпусом.

В остальном конструкция ММЦ не имеет каких-либо сложных в изготовлении элементов и узлов.