Тарельчатые колонны: что это, виды, как выбрать и сделать своими руками

Тарельчатые колонны для дистилляции обладают умеренной укрепляющей способностью. Их традиционно применяют при производстве виски, коньяка и других благородных напитков. Небольшое число тарелок помогает сохранить органолептику сырья при высокой стабильности и производительности аппарата.

Материалы для тарельчатых колонн

Медные колонны со смотровыми окнами часто называют флейтами из-за внешнего сходства. Варианты в стеклянном корпусе иногда именуют хрустальными. Оба названия - чисто маркетинговые и к конструкции отношения не имеют.

Медь - дорогой материал, поэтому к его обработке подходят тщательно. Медная флейта от опытных мастеров выглядит как настоящее произведение. Цена может быть любой - сколько готов заплатить покупатель.

Чуть дешевле модели в корпусе из нержавеющей стали. Самый доступный вариант - стеклянный корпус.

Конструктивные особенности и виды

Самое широкое распространение получили модульные конструкции на базе тройников-отводов или цилиндров из боросиликатного стекла. Минус - много соединительных деталей и завышенная стоимость.

Проще и дешевле готовые блоки на 5-10 тарелок. Выбор здесь шире, цена умереннее. Чаще всего такие блоки делают в стеклянных корпусах.

Есть и совсем бюджетный вариант - вставки для уже имеющихся царг. Их можно набирать из комплектующих в любом нужном количестве.

Конструкция бывает разной. Если тарельчатые колонны ставят с металлическими колбами, теряется наглядность процесса. Сложнее понять, в каком режиме работает аппарат, а для тарелок это критично.

Для герметизации каждого этажа используют простые силиконовые диски. Они менее надежны, чем уплотнительные прокладки в модульных системах, но в целом работают приемлемо.

Альтернатива - упрощенная модульная схема. Каждый этаж собирают из простых и недорогих деталей, а всю конструкцию стягивают шпильками.

Главное преимущество модульных колонн - ремонтопригодность и возможность модификаций. Легко добавить на нужном уровне узел промежуточного отбора фракций и штуцер под термометр. Достаточно просто заменить тарелку.

Еще дешевле колонны с ситчатыми тарелками. Качество продукта при этом не страдает, но управление требуется более точное.

Самый бюджетный вариант - провальные тарелки. Их рабочий диапазон очень узок, поэтому нужен точный контроль нагрева источниками со стабилизированной мощностью. В основном такие тарелки применяют на непрерывных бражных колоннах.

Материалы для тарелок - медь, нержавейка и фторопласт. Возможны любые сочетания. Медь и нержавейка привычны. Фторопласт - один из самых инертных материалов, сопоставимый с платиной. Минус - плохая смачиваемость. Фторопластовая тарелка затопляется заметно быстрее нержавеющей.

Количество тарелок обычно ограничивают пятью для дистиллятов крепостью 88-92% и десятью для очищенных дистиллятов с укреплением до 94-95%.

Модульные колонны позволяют набрать нужное число тарелок из разных материалов.

Чем тарельчатая колонна отличается от насадочной

Вопрос «у меня есть насадочная колонна, нужна ли тарельчатая?» рано или поздно возникает у каждого винокура. Обе колонны работают по принципу тепломассообмена, но различия существенные.

Количество ступеней укрепления

Насадочная колонна работает в режиме максимального разделения на предзахлебной мощности. Меняя флегмовое число, можно регулировать число теоретических тарелок в очень широком диапазоне - от нуля до бесконечности (при полностью отключенном дефлегматоре).

У тарельчатой колонны число ступеней разделения задано конструкцией. Одна физическая тарелка имеет КПД 40-70%. То есть две физические тарелки дают примерно одну ступень укрепления. В зависимости от режима КПД меняется не настолько сильно, чтобы заметно влиять на общее число ступеней.

Удерживающая способность

Насадочная колонна с малой удерживающей способностью хорошо очищает дистиллят от головной фракции и лишь частично сдерживает хвостовую.

Тарельчатая колонна обладает значительно большей удерживающей способностью. Это мешает жесткой очистке от голов, но отлично сдерживает хвосты и выравнивает дистиллят по химическому составу. Чем сильнее нужно очистить продукт от примесей, тем больше тарелок стоит поставить. Один раз подбираешь оптимальное количество - и больше не возвращаешься к этому вопросу.

Чувствительность к управлению

Насадочная колонна очень чувствительна к перепаду давления воды в дефлегматоре или изменению мощности нагрева. Даже небольшое отклонение меняет число ступеней укрепления в разы, а иногда и в десятки раз.

КПД тарелок может измениться максимум в 1,5 раза и только при очень сильном и целенаправленном изменении параметров. Настроенная тарельчатая колонна практически не реагирует на обычные небольшие колебания давления воды или напряжения.

Производительность

Производительность насадочной колонны в основном зависит от диаметра. Оптимальный диаметр для современных насадок - 40-50 мм. При дальнейшем увеличении стабильность процессов падает: появляются пристеночные эффекты и каналообразование.

Тарельчатые колонны от этих слабостей свободны. Их диаметр и производительность можно увеличивать до любого нужного значения - лишь бы хватало мощности нагрева.

Особенности получения ароматных дистиллятов

При работе с насадочными колоннами для ограничения степени укрепления приходится использовать более короткие царги и крупную насадку. Иначе эфиры, отвечающие за основной вкус и аромат, образуют с примесями головной фракции азеотропы и быстро уходят из куба. Головы отбирают коротко, тело - на повышенной скорости. Малое количество насадки и короткая царга не дают полностью сдержать сивуху, поэтому к хвостам приходится переходить раньше или работать с небольшими навалками.

Тарельчатая колонна обладает заметно большей удерживающей способностью, поэтому с сивухой проблем нет. Для отбора голов и тела 5-10 физических тарелок дают 3-5 ступеней укрепления. Это позволяет вести перегон по правилам обычной дистилляции. Спокойно отбирать головы, не рискуя лишить дистиллят аромата. При сборе тела не думать о преждевременном подходе хвостов. Запотевание на нижних тарелках в конце отбора наглядно покажет, когда менять тару. Степень очистки регулируется числом тарелок.

Пяти или десяти тарелок недостаточно, чтобы приблизиться к спирту по степени очистки. Но попасть в требования ГОСТ по дистилляту вполне реально.

Использование тарельчатых колонн при перегонке фруктового или зернового сырья, особенно для дальнейшей выдержки в бочках, заметно упрощает работу.

Как выбирать размеры тарелок

Рассмотрим конструкции, наиболее распространенные в домашних условиях.

Провальная тарелка

По сути это пластина с отверстиями - круглыми, прямоугольными или иной формы.

Флегма стекает в относительно крупные отверстия навстречу пару. Главный недостаток - необходимость точного поддержания заданного режима.

Небольшое снижение мощности нагрева приводит к тому, что вся флегма проваливается в куб. Увеличение мощности запирает флегму на тарелке и вызывает захлеб. Эти тарелки стабильно работают в сравнительно узком диапазоне нагрузок.

Простота конструкции и высокая производительность, плюс привычный в домашнем винокурении нагрев ТЭНами со стабилизированным источником питания, сделали провальные тарелки популярными на непрерывных бражных колоннах. В сочетании с корпусом из боросиликатного или кварцевого стекла настройка становится простой и наглядной.

При расчете количества и диаметра отверстий исходят из условия барботажа. Суммарная площадь отверстий должна составлять 15-30% от площади тарелки (сечения трубы). Для бражных колонн периодического действия базовый диаметр отверстий порядка 9-10% от диаметра колонны обычно попадает в рабочую зону.

Диаметр отверстий для непрерывных бражных колонн подбирают исходя из свойств сырья. Для сахарной браги и вина достаточно 5-6 мм. Для мучных заторов предпочтительнее 7-8 мм. Плотность паров по высоте колонны заметно меняется, поэтому размеры лучше рассчитывать для каждой тарелки отдельно.

Ситчатая тарелка с переливом

Если диаметр отверстий провальной тарелки сделать меньше 3 мм, уже при относительно небольшой мощности флегма начнет запираться. Без устройств перелива произойдет затопление. Ситчатая тарелка с переливными устройствами заметно расширяет рабочий диапазон.

Основные элементы:

• корпус
• ситчатая тарелка
• переливная трубка
• стакан

Переливные устройства задают максимальный уровень флегмы. Это позволяет избежать раннего затопления и увереннее работать при высокой паровой нагрузке. При выключении нагрева флегма полностью сливается в куб, и колонну приходится запускать заново.

Упрощенные соотношения для расчета:

• суммарная площадь отверстий - 7-15% от площади сечения трубы
• соотношение диаметра отверстий и шага между ними - около 3,5
• диаметр сливных трубок - примерно 20% от диаметра тарелки

В сливных отверстиях обязательно ставят гидрозатворы, чтобы исключить прорыв пара. Ситчатые тарелки устанавливают строго горизонтально - иначе пар пойдет не через все отверстия, а флегма будет стекать сквозь них.

Колпачковые тарелки

Если вместо отверстий установить паропроводные трубки выше сливных и накрыть их колпачками с прорезями, получается совершенно другое качество. При отключении нагрева флегма не сливается. Разделенная по фракциям жидкость остается на тарелках. Для продолжения работы достаточно снова включить нагрев.

Такие тарелки имеют конструктивно закрепленный слой флегмы. Они работают в более широком диапазоне мощностей нагрева и изменений флегмового числа - от полного отсутствия до полного возврата флегмы.

КПД колпачковых тарелок относительно высокий - порядка 0,6-0,7. Вместе с наглядностью процесса это определяет их популярность.

Основные пропорции при расчете:

• площадь паровых трубок - около 10% от сечения колонны
• площадь прорезей - 70-80% от площади паровых трубок
• площадь слива - 1/3 от суммарной площади паровых трубок (диаметр примерно 18-20% от диаметра трубы)
• нижние тарелки делают с большим уровнем флегмы и большим сечением прорезей - они работают как удерживающие
• верхние тарелки - с меньшим уровнем флегмы и сечением прорезей - работают как разделяющие

При слое флегмы 12 мм максимальный КПД достигается при скорости пара около 0,3-0,4 м/с.

Для колонны 2 дюйма с внутренним диаметром 48 мм необходимая полезная мощность нагрева:

N = V × S / 750

где V - скорость пара в м/с, N - мощность в кВт, S - площадь сечения колонны в мм².

N = 0,3 × 1808 / 750 = 0,72 кВт.

0,72 кВт - небольшая производительность. Имеет смысл увеличить диаметр. Распространенные диаметры кварцевых стекол для диоптров - 80 и 108 мм. Возьмем 80 мм со стенкой 4 мм (внутренний диаметр 72 мм, площадь сечения 4069 мм²). Мощность составит уже 1,62 кВт - это вполне подходит для домашней газовой плиты.

Выбрав диаметр и расчетную мощность, определяют высоту переливной трубки и расстояние между тарелками по формуле:

V = (0,305 × H / (60 + 0,05 × H)) - 0,012 × Z (м/с)

где H - расстояние между тарелками, Z - высота переливной трубки (толщина слоя флегмы).

Скорость пара 0,3 м/с. Высота тарелки не должна быть меньше её диаметра. Для нижних тарелок слой флегмы делают больше, для верхних - меньше.

Близкие варианты сочетаний высот (тарелка - перелив), мм: 90-11, 100-14, 110-18, 120-21. Стандартное стекло часто имеет высоту 100 мм, поэтому для модульной конструкции удобна пара 100-14 мм. Можно взять и больше - тогда лучше защита от брызгоуноса при росте мощности.

Если конструкция не модульная, пространство для экспериментов шире. Нижние тарелки делают с большей удерживающей способностью (100-14), верхнюю - с большей разделительной (90-11).

Колпачки берут из стандартных доступных размеров. Например, заглушки для медной трубы 28 мм, паровые трубы - 22 мм. Высота паровой трубки должна быть больше переливной, скажем 17 мм. Зазоры для прохода пара между колпачком и паровой трубой делают с большей площадью сечения, чем у самой трубы.

Прорези в каждом колпачке должны иметь площадь сечения порядка 0,75 от площади паровой трубы. Форма прорезей особой роли не играет, но лучше делать их максимально узкими - пар разбивается на более мелкие пузырьки, площадь контакта фаз растет. Увеличение числа колпачков тоже идет на пользу.

Режимы работы тарельчатой колонны

Любые барботажные колонны могут работать в нескольких режимах.

При малых скоростях пара (малой мощности нагрева) возникает пузырьковый режим. Пар в виде отдельных пузырьков проходит сквозь слой флегмы. Поверхность контакта фаз минимальна.

При повышении скорости пара отдельные пузырьки на выходе из прорезей сливаются в струю. Из-за сопротивления барботажного слоя струя на небольшом расстоянии распадается на множество мелких пузырьков. Образуется обильный пенный слой. Зона контакта становится максимальной. Это пенный режим.

Если продолжать повышать скорость, струи пара удлиняются и выходят на поверхность барботажного слоя, не разрушаясь. Образуется много брызг. Площадь контакта снижается, эффективность тарелки падает. Это струйный (инжекционный) режим.

Переход от одного режима к другому не имеет четких границ. Даже при расчете промышленных колонн определяют только скорости пара по нижнему и верхнему пределу. Рабочую скорость (мощность нагрева) выбирают внутри этого диапазона.

Для домашних колонн обычно делают упрощенный расчет на среднюю мощность нагрева, чтобы оставался запас для регулировок в процессе работы.

Приведенные данные не являются полной методикой расчета оптимальных размеров каждой тарелки для любого конкретного случая. Но их достаточно, чтобы собрать рабочую тарельчатую колонну своими руками или разобраться в плюсах и минусах готовых моделей.