CC BY
36
УДК 663.26
К.А. КОВАЛЕВСЬКИЙ, М.1. ВАЛЬКО, Т.О. КУЗЬМША, О.1. МАМАЙ, ОД. ШАН1Н
Херсонський нацюнальний технiчний ушверситет
ОБЛАДНАННЯ ДЛЯ ВИРОБНИЦТВА ПЛОДОВИХ, КОНЬЯЧНИХ СПИРТ1В ТА
СПИРТУ-РЕКТИФ1КАТУ
Описана конструкцгя i принцип diï апаратгв для переробки виноматергалгв 1з винограду i плод1в, а також eidxodie виноробства та iнших ^ody^mie бродтня на спирт. Запропонована удосконалена перегтна установка, що працюе тд вакуумом, для отримання високояюсних спирmiв. Наведет результати лабораторних i виробничих випробувань.
Ключoвi слова: винoмаmерiали, плоди, вiдхoди, продукти бродтня, перегiнна установка, вакуум, кoньячнi спирти, спирт-ректифтат.
К.А. КОВАЛЕВСКИЙ, Н.И. ВАЛЬКО, Т.О. КУЗЬМИНА, О.И. МАМАЙ, А.Д. ШАНИН
Херсонский национальный технический университет
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА ПЛОДОВЫХ, КОНЬЯЧНЫХ СПИРТОВ И
СПИРТА-РЕКТИФИКАТА
Описана конструкция и принцип действия аппаратов для переработки виноматериалов из винограда и плодов, а также отходов виноделия и других продуктов брожения в спирт. Предложена усовершенствованная перегонная установка, работающая под вакуумом, для получения высококачественных спиртов. Приведены результаты лабораторных и производственных испытаний.
Ключевые слова: виноматериалы, плоды, отходы, продукты брожения, перегонная установка, вакуум, коньячные спирты, спирт-ректификат.
K.A. KOVALEVSKY, M.I. VALKO, T.O. KUZMINA, O.I. MAMAI, A.D. SHANIN
Kherson National Technical University
EQUIPMENT FOR THE PRODUCTION OF FRUIT, COGNAC SPIRITUS AND RECTIFIED SPIRIT
The article describes the structure and operation principle of apparatuses for processing wine grapes and fruit, as well as wine and other waste products of fermentation into alcohol. An improved distillation unit operating under vacuum, to produce high quality alcohols. The results of laboratory and field tests.
Keywords: wine materials, fruit, waste, products of fermentation, distillation apparatus, vacuum cognac spirits, alcohol rectified.
Постановка проблеми
Коньячш спирти отримують з б1лих виноматер1ал1в шляхом ïx дистиляци на перепнних установках. До складу спирту в коньячному виробнищга пред'являються певш вимоги, тому технолопя його отримання повинна бути ор1ентована на можливе виключення ректифжаци (складно'' перегонки). Спирт повинен бути отриманий простою перегонкою i простою дефлегмащею.
Однак, сучасш технологи отримання коньячних спирпв, а також спирту з вторинних ресурав виноробства, передбачають використання ректифжацшних колон. У зв'язку з вищевикладеним, доцшьна розробка нового обладнання, що дозволяе отримувати високояшсш дистиляти, а також ректифжований етиловий спирт.
Аналiз останшх дослвджень i публжацш
Ввдома цша низка апарапв i установок безперервноï й перюдично'' дп для одержання коньячного спирту [1,3,7,8], але ва вони складш у виготовленш й експлуатацп, призначеш для спецiалiзованиx шдприемств велико'' продуктивности складш для монтажу на малих тдприемствах i фермерських господарствах, що вирощують виноград, плоди i ягоди. Вирощена продукщя не вся може бути реалiзована, залишки яко'' необхщно переробляти на мiсцi. Крiм цього при переробщ плодiв i япд на соки i вино залишаються вiдxоди i некондицiйна сировина, яш зброджують.
При переробцi виноградно'' вичавки, вiтамiнниx автолiзатiв з винних дрiжджiв первиннi продукти мають в своему складi спирт. Для його уловлювання при використаннi установок [1,2], ввдомих у виноробствi, мають мiсце велик! втрати продуктiв.
Для переробки коньячних виноматерiалiв i вторинних ресурсiв виноробства проводилися науковi дослiдження з метою розробки перепнно! установки для вилучення спирту з продукпв бродiння. Були проведет дослвди на чеськ1й вакуум-перегiннiй установщ фiрми Simax [3] виконано! зi скла. Дана установка показала хорошi результати, проте е лабораторною моделлю i використовувати И у виробнищга нерацiонально.
Формулювання мети дослiдження
Метою роботи було розробити просту конструкцш апарата для перегонки i ректифжаци коньячних виноматерiалiв i вторинно! сировини на малих пiдприемствах, iнших продукпв бродiння, а також розробка та удосконалення вакуум-перепнно! установки для забезпечення промислового виробництва високояк1сних коньячних спирпв, а також спирту етилового з вторинних ресурав виноробства та шших продуктiв бродiння.
Викладення основного матер1алу дослiдження
На основi виробничого досввду експлуатацп перегiнних установок для отримання спирту-сирцю, коньячного i плодового спирту iз виноматерiалiв та вiдходiв виноробно! промисловостi, проведено експериментальнi i дослвдш роботи. З врахуванням нормативних матерiалiв [2,4,9,10] був розроблений новий перепнний апарат для малих i середшх пiдприемств та фермерських господарств [5,6].
В основу наукових розробок було покладено завдання створити пристро! для одержання коньячних i плодових спирпв з виноматерiалiв i вiдходiв виноробно! промисловосп, придатних для виробництва мщних напо1в. Такий пристрiй мiстить перепнний куб зi змiйовиком, з'еднаним iз джерелом пари, встановленi у верхнш частинi перегiнного куба, змiцнювальну колону, дефлегматор i холодильник. Шляхом удосконалення конструкцп вузлiв i !хнього взаемного розташування пропонуеться забезпечити iнтенсифiкацiю процесу ректифжаци й тим самим шдвищити як1сть спирту, знизити металоемнiсть пристрою та енергоемшсть.
Поставлене завдання виршуеться тим, що в пристро! перюдично! дi! для одержання спирту-сирцю, змщнювальна колона, дефлегматор i холодильник виконаш у виглядi единого блоку. Дефлегматор встановлений таким чином, що 60-70% таршок змщнювально! колони розмщеш в охолоджувальнiй зонi дефлегматора. Джерело пари виконано у виглядi парогенератора, що входить у единий блок з перепнним кубом.
Проведет випробування на малш моделi апарата, показали !! працездатнiсть i належну яшсть спирту-сирцю, отриманого з дрiжджових осащв i виноматерiалiв. На основi проведених експериментальних робiт, виконаних на кафедрi харчових технологiй ХНТУ було сконструйовано i виготовлено три промислових установки.
Установка складаеться з таких основних частин (рис.1): перепнного куба, змщнювально! (ректифжацшно!) колони, на якш змонтованi в одному блоцi дефлегматор i холодильник.
Перегiнний куб 1 виконаний у виглядi цилiндричного резервуару з кошчними днищем i кришкою. Усерединi куба 1 змонтовано змшовик 2 i барботер 3. У цен^ днища куба встановлений випускний кран 4. На цилiндричнiй частиш куба зверху встановлений люк-лаз 5. Змшовик 2 i барботер 3 з'еднаш з паровими колекторами вентилями 6 i 7 вiдповiдно з джерелами (трубопроводами) пари рiзного тиску. Знизу змшовик 2 з'еднаний вентилем 8 з пристроем для вщведення конденсату. З кубом 1 через кран 4 з'еднаний насос вщкачки барди 9. Верхнш паровий проспр куба 1 з'еднано з гвдрозатвором 10. Щд кришкою куба встановлений ковпак 11, що виконуе роль сепаратора для вщдшення ввд водно-спиртових парiв твердих часток i тни, якi можуть бути закинутi при бурхливому кипiннi рвдини, що переганяють. Колона 12 з кубом 1 з'еднана за допомогою фланцевого з'еднання, встановленого в центрi конiчно! кришки.
У колонi 12, що представляе собою цилiндричну трубу, установленi вихровi тарiлки 13, змонтованi на стрижш 14, що крiпиться до кришки 15 колони.
На колош 12 жорстко встановлений дефлегматор 16, який представляе собою цилiндричний корпус з шльцевими кришками. У просторi, утвореним колоною 12 i корпусом дефлегматора 16, змонтована впускна труба 17 i зливальна трубка 18. Впускна труба 17 з'еднуе верхню частину холодильника 19 з нижньою частиною дефлегматора 16. Зливальна трубка 18 виводить воду з верхньо! частини дефлегматора назовнi.
Холодильник 19 виконано у виглядi цилiндричного корпусу, який шльцевим днищем жорстко закршлений до корпуса дефлегматора 16. У просторi кольцевого перетину мiж корпусами холодильника 19 i дефлегматора 16 встановлений змшовик 20, зверху з'еднаний з колоною 12, а знизу зливальною трубою 22 - зi спиртовим лiхтарем 23. Знизу до корпуса холодильника приеднаний штуцер 21 з вентилем подачi води, а зверху на корпуа встановлений штуцер 24 переливу води. На зливальнш трубi 18 дефлегматора 16 установлений вентиль 25 регулювання роботи дефлегматора. Переливний штуцер 24 i зливальна труба 18 з'еднаш з резервуаром-накопичувачем бражки (виноматерiалу) 26, у якому встановлений змiйовик 27. Резервуар-накопичувач 26 трубою 28 i краном 29 з'еднаний з кубом 1. Вш
призначений для попереднього тда^ву бражки перед подачею Н в куб з одночасним використанням тепла води, що виходить з холодильника i дефлегматора.
У куб 1 через кран 29 i трубу 28 заливають бражку з резервуара-накопичувача 26. Куб заповнюють 75% його об'ему. Пiсля цього кран 29 закривають. Куб герметично закривають, пдрозатвор 10 заповнюють водою. Через вентиль 7 подають пару на барботер 3, через вентиль 6 пару подають у змшовик 2 куба 1. Вентилем 8 з пристроем для вщведення конденсату з'еднують нижню частину змiйовика з лiнiею конденсату.
18 16 15 % 17
- вентиль зi зворотним клапаном подачi пари у барботер; 8 - вентиль ввдведення конденсату; 9 -насос для барди; 10 - гiдравлiчний запоб1жний клапан; 11 - ковпак для гасшня пши; 12 - перегшна
колона; 13 - таршка вихрова; 14 - стержень; 15 - кришка колони; 16 - дефлегматор; 17 - трубка впуску води дефлегматора; 18 - труба зливу води з дефлегматора; 19 - холодильник; 20 - змшовик; 21 - штуцер подачi води у холодильник; 22 - труба зливу спирту; 23 - лiхтар спирту; 24 - труба переливу води; 25 - вентиль подачi води у холодильник; 26 - резервуар накопичення i пад^ву бражки (виноматерiалу); 27 - змшовик пад^ву бражки; 28 - труба зливу бражки у куб; 29 - кран
прохвдний.
Шсля того, як бражка почне китти, подачу пари через барботер 3 вентилем 7 припиняють. При цьому заповнюють водою холодильник 19 через штуцер 21. При ввдкритому краш 25 зливального патрубка 18 дефлегматора 16 вщкривають подачу води в холодильник 19 через штуцер з вентилем 21. Вода, заповнивши об'ем холодильника до рiвня отвору заливного патрубка 17 дефлегматора 16, заповнюе останнш i починае зливатися через вентиль 25. Вентиль 25 закривають i при початку зливу
води через зливальний штуцер 24 холодильника подачу води припиняють, перекривши !! надходження вентилем штуцера 21.
Плсля того, як матерiал, що переганяють, (вино, бражка, спирт) закипить у куб^ водно-спиртовi пари витиснуть повiтря з колони, що виходить через змшовик 20 i патрубок зливу спирту 22 у спиртовий лiхтар 23. Щiсля прорву колони 12 i води в дефлегматорi включають подачу води в холодильник через штуцер iз краном 21, вщкривши повнiстю вентиль 25 зливального штуцера дефлегматора 18. Подачу води регулюють так, щоб уа спиртовi пари затримувалися в колош, конденсуючись повнiстю у дефлегматорi i зливалися по тарiлках 13 колони 12. При цьому флегма (сконденсоваш водно-спиртовi пари) зливаючись вниз по тарiлкам, буде змiцнювати пари, що щдтмаються з куба. По висоп колони на тарiлках будуть розташоваш фракцi! спиртiв з рiзною температурою китння. Самою верхньою буде фракщя ефiрiв i альдегiдiв.
Щiсля невелико! витримки (15-20 хв.), тобто роботи апарата в режимi повно! конденсацп парiв у дефлегматорi, на верхшх тарiлках сконцентруються водно-спиртовi сумiшi. Для того, щоб пара почала надходити в змшовик 20 холодильника 19 вентилем 25 перекривають в№ний вихвд води з дефлегматора i регулюють його потж так, щоб температура стшок дефлегматора пiдвищилася. При цьому починають вiдбiр ефiроальдегiдно! головно! фракцп спирту в окрему емк1сть. Юльшсть ефiроальдегiдно! фракцi! складае 2-4% вщ вмiсту абсолютного алкоголю, що надшшов у куб.
Щiсля ввдбору ефiроальдегiдно! фракцi! приступають до вiдбору середньо! основно! фракцi!. Для змiцнення основно! фракцп тсля вiдбору головно! роблять також невелику затримку (5-10 хв), тобто через дефлегматор пропускають таку кiлькiсть води, щоб усi пари спирту конденсувалися в дефлегматорi без виходу !х у холодильник. Цим буде тдвищена мiцнiсть. Щiсля затримки поступово пiдвищують температуру в дефлегматорi i спиртовi пари будуть проходити в змiйовик холодильника. Щiдтримуючи стаб№но температуру за допомогою вентиля 25, домагаються одержання необх1дно! мiцностi при штенсивному кипiннi сумiшi в кубг З падiнням мiцностi сумiшi в кубi почне падати i мщшсть спирту, що виходить через зливальний штуцер спирту 22 холодильника в спиртовий лiхтар 23, тому для щдтримки мiцностi спирту у визначених межах необхщно знизити iнтенсивнiсть кишння в кубi i регулювати температуру вентилем 25. Вiдбiр основно! фракцп ведуть до початку рiзкого зниження мщносп спирту нижче 60-40% об. i вiдбору 80-85% спирту вщ його вмiсту в кубi перед перегонкою. Вiзуально при закiнченнi перегонки середньо! основно! фракцп прозорють спирту почне знижуватися i з'явиться запах не властивий чистому спирту. Вiдбiр середньо! фракцп припиняють.
Щiсля ввдбору основно! фракцi! спирту приступають до ввдбору хвостових фракцiй, що ввдганяють до мiцностi 2-5%. Кiлькiсть хвостових фракцш складае 10-17% ввд вмюту абсолютного спирту в кубi до початку перегонки. Головш фракцi! спирту (ефiроальдегiднi) використовуються як технiчний спирт або при великому накопиченш можуть бути переданi для ректифiкацi!.
Хвостовi фракцi! спирту повторно переганяють разом з черговими партями бражки чи виноматерiалу.
Для пiдвищення якостi спирту тсля першо! перегонки роблять повторну з фракцiйним вiдбором способом, зазначеним вище. При цьому хвостовi фракцп тсля повторно! перегонки бажано використовувати тшьки при первиннш перегонцi.
Для одержання спирту пвдвищено! якостi (ректифжованого) установку обладнують додатковою ректифiкацiйною колоною, що вставляеться мiж кубом i колоною 12.
При роботi промислових установок проводились дослiднi роботи по визначенню ефективностi !х роботи i якостi отриманого спирту. Отриманi данш на промисловiй установцi i на малому перепнному апаратi показанi в табл. 1 i 2 в порiвняннi з ввдомим апаратом одинарно! сгонки ПУ-500 [5, 6], та нормативним матерiалам [7, 8].
По даним аналiзiв можна ввдзначити, що зразки спирту, як1 отриманi на запропонованому апаратi, мають бiльше фурфуролу, терпенових спирпв i етилкаприлату, тобто характеризуються кращими показниками складу, порiвняно з ввдомими даними ввдомих апарапв (табл. 1).
Леткi компоненти коньячного спирту визначали на газовому хроматографi „Кристалл-Люкс". Вмiст етилового спирту визначали ареометричним методом [11], вмiст залiза - колориметричним методом по ГОСТ 13195-73, мщ - по ГОСТ 26931-86.
Таблиця 1
Х1м1чний склад коньячних спирт1в, одержаних на р1зних апаратах_
Показники ПУ-500 (данi з лггературних джерел) Запропонований апарат (дат отримат при випробуваннi)
1 2 3
Вмют альдегiдiв, мг/100мл безводного спирту 12,9 13,6
Продовження таблиц 1
1 2 3
Вмiст складних ефiрiв, мг/100мл 89,2 78,4
безводного спирту
Вищi спирти, мг/100мл безводного 332 313
спирту
Вмют летких кислот, мг/100мл 15,7 13,6
безводного спирту
Фурфурол, мг/100мл безводного 0,32 0,47
спирту
Лшалоол, мг/100мл безводного 0,01 0,03
спирту
a-терпенiол, мг/100мл безводного 0,04 0,07
спирту
Фарнезол, мг/100мл безводного 0,06 0,08
спирту
Етилкаприлат, мг/100мл безводного 1,92 2,46
спирту
Масляна кислота, мг/100мл 0,33 0,31
безводного спирту
Метиловий спирт, % об. 0,06 0,05
Залiзо, мг/дм3 0,18 0,21
Мщь, мг/дм3 0,36 0,42
З метою тдвищення якосп спиртiв та зниження витрат на перегонку, сшвробггниками Херсонського нацiонального технiчного унiверситету була спроектована вакуум-перегiнна установка, що була випробувана в науковiй лабораторi! i в радгоспi-заводi «Янтарний» (м.Херсон). За основу установки прийнятий апарат для коньячних i плодових спиртiв одинарно! сгонки, конструк^ якого описана вище (рис.1).
В основу пропоновано! конструкцп прийнято: створення пристрою установки для коньячного i плодового спирту зi зниженням на 10-15% !! металоемносп, зниження на 15-20% витрат на виробництво спирту та полiпшення його якосп за рахунок рацiонального сумщення куба апарату з теплогенератором, полшшення конструкцi! спиртоприймального пристрою.
Виконання сумщено! конструкцi! куба з теплогенератором i його конструкцiя у виглядi сорочки з на^вальним елементом i додатковою поверхнею теплообмшу у виглядi вертикально! труби, з'еднано! з верхньою та нижньою порожнинами теплогенератора, сприяе зниженню металоемностi, оск1льки вiдпадае необхiднiсть в паропроводах i окремих джерелах утворення пари, зниження втрат тепла. Так як теплоноаем в пропонованому пристро! е вода, то при нагрiвi бражки не вщбуваеться перегрiв останньо! i знижуеться можливiсть утворення компонента, що погiршують як1сть спирту. Простота конструкцп пристрою тдвищуе можливiсть !! виконання у виглядi моделей рiзно! продуктивностi.
Виконання перегiнно! установки з використанням вакууму дасть можливють отримання спирту бiльш високо! якостi за рахунок зниження температури теплоносiя i знизити втрати при виробництвi коньячних спирпв та продуктiв переробки вторинних ресурав виноробства.
Таблиця 2
Вихвдна сировина Об'ем, дм3 Головна фракщя, дм3/% об. Середня фракщя, дм3/% об. Хвостова фракщя, дм3/% об. Дегустацш на оцiнка, бал. Вихвд спирту з наявностi в сировинi, %
Сухий виноматерiал, з сумiшi сорпв винограду, мщшстю 10% об. 45,0 0,1/89,2 4,5/88,0 4,9/5,5 8,0 96,6
Зброджеш сусловi осади, мiцнiстю 8% об. 40,0 0,07/88,7 3,1/87,9 3,5/7,6 7,9 95,4
Яблучний дифузiйний сiк мщшстю 7% об. 50,0 0,08/88,9 3,5/87,6 3,8/6,1 7,8 96,1
Висновки
Випробування ново1 конструкцii перегiнноi установки i вакуум-перегшно1 установки на лабораторнiй моделi i малоi моделi радгоспу-заводу «Янтарний» (м.Херсон) показали хорошi результати за яюстю i виходу спирту (див. табл. 2). Рекомендуеться впровадження даноi установки у виробництво, для використання на малих пiдприемствах при отриманнi спирту з вiдходiв виноробства i вщ переробки плодово-ягiдноi сировини.
Нова конструкщя колони, дефлегматора i холодильника, що являють собою единий блок, спрощуе конструкцiю, знижуе габаритнi розмiри i металоемнiсть апаратiв. У той же час простий споиб регулювання перегонки дае можливкть одержання спирту висо^ якостi i пiдвищеноi мiцностi за одну перегонку.
Рис. 2 Апаратурно-технолоочна схема вакуум-перегшно'! установки: 1 - перегшний куб; 2 - теплогенератор; 3 - колона ректифжащ!; 4 - блок дефлегматора i холодильника; 5 - спиртоприймальний пристрш; 6 - вакуумна установка; 7 - шд11гр11вач бражки (виноматерiалу); 8 - зб1рник головно! фракцм; 9 - зб1рник друго! (основно!) фракцм; 10 - зб1рник третьо! (хвостово!*) фракцм; 11 - розширювальний бачок; 12 - датчики температури; 13,14 - крани автоматично*! системи подач1 води; 15 - кран подач1 бражки в куб; 16 - вентиль випуску бражки; 17 - ТЕН теплогенератора (нагр11вальний елемент); 18 - теплообмшна сорочка; 19 - вертикальна
труба; 20 - труба циркулящ!; 21 - повггряна труба; 22 - газовщдшювачами; 23 - колона спиртоприймального пристрою; 24 - вихров1 таршки; 25 - теплообмшна сорочка; 26 - штуцер введення спирту; 27 - штуцер з'еднання з вакуумною установкою; 28 - спиртово! л1хтар; 29 -штуцер з'еднання л1хтаря з вакуумом; 30 - штуцер з'еднання л1хтаря з колектором розподшу шдгомш; 31 - колектор-розподшьник; 32 - триходов1 крани; 33- воздушники; 34 - ежектор; 35 -газовщдшювач1; 36 - зл1вна труба; 37 - зб1рник барометрично! води; 38 - в1дцентровий насос; 39 -труба подач1 води на ежектор; 40 - труба в1дводу газ1в; 41 - штуцер введення струменя ежектора в
газовщдшювачами.
Список використаиоТ лггератури
1. Аношин И.М., Мержаниан А.А.. Физические процессы виноделия. - М.: «Пищевая
промышленность», 1978. - С. 268-301.
2. Аношин И.М., Курносов А.Г., Аванесьянц Р.В., Джуринская Т.Ф., Ковалевский К.А. Непрерывно действующий брагоперегонный аппарат с вихревым паровым потоком. - Виноделие и виноградарство СССР, №8, 1970, с. 45.
3. Виноградов В.А. Оборудование винодельческих заводов. Т. II. - Симферополь, 2003. - 353 с. (С. 102-125).
4. Технологические правила виноделия. у II томах. Под редак. Г.Г. Валуйко и В.А. Загаруйко. Т. II. - Симферополь: «Таврида», 2003. - С. 93-136.
5. Ковалевский К.А., Глухов П.В., Челидзе Т.Н. Установка для получения спирта-сырца. - Патент Грузинской республики №575 C 12 G3/12 28.04.93.
6. Ковалевський К.А., Глухов П.В., Челидзе Т.Н. Апарат для одержання коньячних та плодових спирпв. - Патент Украни № 28148 А 16.10.2000.
7. Малтабар В.М., Фертман Г.И. Технология коньяка.- М.: Пищевая промышленность, 1971.- 344 с.
8. Мартыненко Э.В. Технология коньяка. - Симферополь, «Таврида», 2003. - 320 с. (С. 77-103)
9. Справочник по виноделию. под. ред. Валуйко Г.Г. и Косюры В.Г. - Симферополь: «Таврида»,
2006. - 624 с. (С. 184-187).
10. Ломидзе Т.В., Лахши А.Д., Маслов В.А.. Совершенствование технологии получения коньячного
спирта на аппаратах периодического действия // Виноделие и виноградарство СССР. - 1984,-№8. - С. 12-15.
11. Методы технохимического контроля в виноделии. Под ред. Гержиковой В.Г. - Симферополь:
«Таврида», 2002. - 259 с.
