Ректификационная установка и узел сбора конденсата этой установки
Группа изобретений относится к ректификационным установкам и может быть применена для получения спиртосодержащих жидкостей в пищевой, медицинской и других отраслях промышленности, а также в бытовых условиях. Изобретение относится к ректификационной установке, содержащей последовательно подключенные друг к другу перегонный куб, царгу и узел сбора конденсата, при этом узел сбора конденсата представлен в виде изогнутой трубы с элементом сбора конденсата, которая до перегиба содержит подключенный к ней узел сбора готового продукта, а после перегиба содержит подключенный к ней дефлегматор. Элемент сбора конденсата представлен в виде емкости, расположенной на трубе после места ее перегиба, при этом внутреннее пространство емкости соединено с внутренним пространством изогнутой трубы, а место соединения внутреннего пространства емкости с внутренним пространством изогнутой трубы расположено на трубе ниже места подключения узла сбора готового продукта. Изобретение также касается узла сбора конденсата. Технический результат- повышение качества готового продукта ректификационной установки. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.
Группа изобретений относится к ректификационным установкам и может быть применена для получения спиртосодержащих жидкостей в пищевой, медицинской и других отраслях промышленности, а также в бытовых условиях.
Известен узел сбора конденсата ректификационной установки, представленный в виде изогнутой трубы, с одной стороны которой установлен дефлегматор, а с другой стороны которой установлен штуцер для возврата флегмы, при этом дефлегматор подключен к штуцеру трубкой, которая содержит узел отбора готового продукта в виде игольчатого клапана [Веб-ресурс: https://alcodistillers.ru/forum/viewtopic.php?id=1232, дата публикации: 23.12.2017 г.].
Недостатком известного технического решения является высокая сложность получения качественного продукта, что обусловлено тем, что отбор готового продукта осуществляется непосредственно из магистрали, обеспечивающей возврат флегмы из дефлегматора для ее повторного нагрева и возгонки, а также конструкцией узла отбора готового продукта, поскольку для получения высококачественных спиртов необходимо проведение тонкой настройки игольчатого клапана.
В качестве прототипа выбрана ректификационная установка, содержащая последовательно подключенные друг к другу перегонный куб, царгу и узел сбора конденсата, при этом узел сбора конденсата представлен в виде изогнутой трубы, которая до места ее перегиба содержит подключенный к ней узел сбора готового продукта, а после места ее перегиба содержит подключенный к ней дефлегматор, при этом в месте перегиба труба содержит элемент сбора конденсата, представленный в виде неполной перегородки, после которой расположен штуцер для возврата флегмы, снабженный трубкой, которая подключена к изогнутой трубе перед узлом сбора готового продукта [RU192460, дата публикации:17.09.2019 г. МПК: B01D 3/00].
Преимуществом прототипа перед известным техническим решением является простота получения с помощью представленной в нем ректификационной установки качественного продукта за счет того, что отбор паров водно-спиртовой жидкости в нем производится с участка изогнутой трубы, не имеющего контакта с флегмой, возвращающейся на повторную возгонку из дефлегматора, что снижает риск попадания сивушных масел и вредных примесей вместе с флегмой в узел сбора готового продукта. Однако недостатком прототипа является высокий риск попадания флегмы в узел сбора готового продукта, что обусловлено переполнением участка изогнутой трубы за неполной перегородкой флегмой, возвращающейся из дефлегматора, и возможным «захлебом» перегородки, в результате чего повышается гидродинамическое сопротивление, оказываемое флегмой восходящему потоку пара на отдельных участках ректификационной установки, в том числе в месте перегиба изогнутой трубы, вследствие чего некоторый объем сивушных масел и вредных примесей начинает скапливаться в зоне отбора пара узлом сбора готового продукта, который с паром перемещается в узел отбора готового продукта, что в конечном итоге влияет на качество, в том числе на спиртуозность и чистоту готового продукта, в существенной степени ухудшая эксплуатационные характеристики ректификационной установки.
Техническая проблема, на решение которой направлена группа изобретений, заключается в необходимости улучшения эксплуатационных характеристик ректификационной установки.
Технический результат, на достижение которого направлена группа изобретений, заключается в повышении качества готового продукта ректификационной установки.
Сущность первого изобретения из группы изобретений заключается в следующем.
Ректификационная установка содержит последовательно подключенные друг к другу перегонный куб, царгу и узел сбора конденсата, при этом узел сбора конденсата представлен в виде изогнутой трубы с элементом сбора конденсата, которая до перегиба содержит подключенный к ней узел сбора готового продукта, а после перегиба содержит подключенный к ней дефлегматор. В отличие от прототипа элемент сбора конденсата представлен в виде емкости, расположенной на трубе после места ее перегиба, при этом внутреннее пространство емкости соединено с внутренним пространством изогнутой трубы, а место соединения внутреннего пространства емкости с внутренним пространством изогнутой трубы расположено на трубе ниже места подключения узла сбора готового продукта.
Сущность второго изобретения из группы изобретений заключается в следующем.
Узел сбора конденсата ректификационной установки представлен в виде изогнутой трубы с элементом сбора конденсата, которая до перегиба содержит элемент для подключения к узлу сбора готового продукта и элемент для подключения к царге, а после перегиба содержит элемент для подключения к дефлегматору. В отличие от прототипа элемент сбора конденсата представлен в виде емкости, расположенной на трубе после места ее перегиба, при этом внутреннее пространство емкости соединено с внутренним пространством изогнутой трубы, а место соединения внутреннего пространства емкости с внутренним пространством изогнутой трубы расположено на трубе ниже места подключения узла сбора готового продукта.
Узел сбора конденсата ректификационной установки обеспечивает возможность преобразования пара, восходящего из перегонного куба по царге, во флегму. Это обеспечивает организацию внутри установки противоточного движения, сопровождающегося процессами тепло- и массообмена, в процессе которого восходящие потоки пара непрерывно обогащаются более летучими компонентами, а стекающая флегма – менее летучими компонентами. Преобразование пара во флегму обеспечивается в дефлегматоре узла сбора конденсата, который представляет собой кожухотрубный теплообменник с циркулирующим в межтрубном пространстве теплоносителем. При этом для выхода избытков пара и регулирования процесса ректификации внутренняя полость дефлегматора может быть соединена с атмосферой, для чего он может иметь отверстие или он может быть снабжен штуцером с установленной на нем трубкой. В качестве дефлегматора может быть представлен охлаждаемый змеевик и другие аналогичные устройства.
Узел сбора конденсата представлен в виде изогнутой трубы, что позволяет накапливать флегму в месте перегиба. В наиболее предпочтительном варианте исполнения труба имеет один изгиб, выполненный под прямым углом, что препятствует образованию в трубе гидрозатвора, который может привести к выбросу флегмы наружу из дефлегматора, а также к перемещению флегмы в область сбора пара узлом сбора готового продукта, тем самым ухудшая его качество. При этом для упрощения чистки изогнутой трубы ее секции могут быть выполнены разборными и могут быть соединены любыми известными видами разъемного соединения, что также повышает качество готового продукта.
Элемент сбора конденсата представлен в виде емкости, что обеспечивает возможность сбора флегмы, конденсирующейся в дефлегматоре, снижая риск ее возврата по изогнутой трубе к месту подключения узла сбора готового продукта. Емкость представляет собой полость в трубе, способствующую сбору в ней флегмы и препятствующую взаимодействию всего собранного объема флегмы с потоком восходящих по изогнутой трубе паров. Преимущественно емкость расположена соосно с дефлегматором и/или с отверстием для соединения внутренней полости изогнутой трубы с дефлегматором, что дополнительно снижает риск попадания флегмы в область сбора готового продукта, тем самым повышая качество готового продукта. Также за счет снижения гидродинамического сопротивления, оказываемого флегмой восходящему потоку пара в области изгиба трубы, дополнительно повышается пропускная способность узла сбора конденсата ректификационной установки, за счет чего улучшается процесс противоточного тепломассообмена в царге, тем самым повышается стабильность процесса ректификации и увеличивается производительность ректификационной установки.
Дополнительно для снижения риска попадания флегмы в область сбора готового продукта форма поперечного сечения емкости может соответствовать форме поперечного сечения изогнутой трубы. Объем емкости зависит от производительности ректификационной установки и может быть выбран исходя из расчетного объема конденсируемой в процессе эксплуатации установки флегмы. При этом емкость может быть выполнена съемной, что обеспечивает возможность вариативного подбора емкостей с разным объемом в зависимости от производительности установки, а также возможности чистки емкости изнутри.
Внутреннее пространство емкости соединено с внутренним пространством изогнутой трубы, что обеспечивает возможность возврата флегмы в перегонный куб для ее повторной возгонки. Соединение внутреннего пространства емкости с внутренним пространством изогнутой трубы может обеспечиваться за счет элементов соединения внутреннего пространства емкости с внутренним пространством трубы, таких как штуцеры со шлангами, трубки или патрубки. Также возможен вариант соединения, при котором внутреннее пространство емкости объединено с внутренним пространством изогнутой трубы без применения каких-либо средств соединения.
Место соединения внутреннего пространства емкости с внутренним пространством изогнутой трубы расположено ниже места подключения узла сбора готового продукта, что снижает риск попадания флегмы, движущейся из дефлегматора, в узел сбора готового продукта, позволяя перемещаться ей через царгу в противоположном направлении потоку восходящего из перегонного куба пара. Преимущественно место соединения может быть расположено на трубе с противоположной от элемента для подключения к узлу сбора готового продукта стороны, что дополнительно снижает риск возгонки флегмы, движущейся из дефлегматора, парами до уровня сбора готового продукта, тем самым дополнительно снижая риск попадания флегмы в узел сбора готового продукта ректификационной установки и дополнительно повышая таким образом качество готового продукта. Расстояние между местом соединения внутреннего пространства емкости с внутренним пространством изогнутой трубы и элементом для подключения к узлу сбора готового продукта может составлять не менее 20% от высоты участка трубы до места ее перегиба, за счет чего также снижается риск возгонки флегмы потоками пара до уровня сбора готового продукта, что также дополнительно снижает риск попадания вредных примесей из флегмы в узел сбора готового продукта ректификационной установки, дополнительно повышая качество готового продукта.
Дополнительно для повышения стабильности процесса ректификации в установке и снижения попадания флегмы в узел сбора готового продукта ректификационной установки узел сбора конденсата ректификационной установки может содержать средство регулирования потока конденсата из емкости, что обеспечивает возможность регулирования соотношения флегмы и восходящих паров. Средство регулирования потока конденсата может быть установлено в месте выхода конденсата из емкости или на элементе соединения внутреннего пространства емкости с внутренним пространством трубы. Средство регулирования потока конденсата может быть представлено механическим вентилем, шаровым краном, электромагнитным клапаном и другими аналогичными элементами.
Царга обеспечивает возможность соединения внутреннего пространства изогнутой трубы с внутренним пространством перегонного куба. Царга может быть выполнена в виде металлической колонны и/или стеклянного диоптра, обеспечивающего возможность контроля процесса ректификации и своевременного регулирования температурных режимов, позволяя также повысить качество готового продукта. При этом для дополнительного улучшения тепломассообмена между восходящими потоками пара и флегмой и повышения качества готового продукта ректификационной установки царга может быть заполнена призматической насадкой, такой как, например, насадка Панченкова или насадка Селиваненко, и/или она может содержать сетчатые тарелки.
Узел сбора готового продукта обеспечивает возможность отбора пара с определенного уровня ректификационной установки. Узел сбора готового продукта для этого может содержать средство регулирования потока пара, которое может быть представлено механическим вентилем, шаровым краном, электромагнитным клапаном и другими аналогичными элементами. При этом для охлаждения пара и повышения скорости получения готового продукта узел сбора готового продукта может содержать дефлегматор узла сбора готового продукта или иное обеспечивающее конденсацию паров в своей внутренней полости устройство. При этом для вывода готового продукта наружу узел сбора готового продукта может содержать подключённый к дефлегматору штуцер.
Элементы ректификационной установки, в том числе царга и/или изогнутая труба, могут содержать электрические или механические элементы контроля температуры, что позволяет своевременно регулировать температуру нагрева перегонного куба, позволяя также повысить качество готового продукта. Соединение элементов ректификационной установки может обеспечиваться посредством разъемных и/или неразъемных видов соединения, в том числе применением резьбовых элементов соединения, фланцев, муфт или хомутов для клампового соединения.
Перегонный куб может иметь произвольную форму, объем и размер и может содержать сливной кран. Все элементы дистиллятора могут быть изготовлены из любого термостойкого материала, например металла, стекла или керамики.
Группа изобретений может быть выполнена из известных материалов с помощью известных средств, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «промышленная применимость».
Группа изобретений характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, отличающейся тем, что:
–– элемент сбора конденсата представлен в виде емкости, расположенной на трубе после места ее перегиба, благодаря чему обеспечивается возможность сбора флегмы в отдельной полости изогнутой трубы, тем самым способствуя снижению степени взаимодействия между собранным объемом флегмы и восходящими потоками пара, движущимися внутри изогнутой трубы в направлении дефлегматора;
–– внутреннее пространство емкости соединено с внутренним пространством изогнутой трубы, а место соединения внутреннего пространства емкости с внутренним пространством изогнутой трубы расположено на трубе ниже места подключения узла сбора готового продукта, что позволяет транспортировать всю собранную в емкости флегму в обход узла сбора готового продукта для ее повторного контактирования с восходящими потоками пара и последующего насыщения.
Совокупность существенных признаков группы изобретений позволяет снизить степень взаимодействия между собранным объемом флегмы и восходящими потоками пара, движущимися внутри изогнутой трубы в направлении дефлегматора, и транспортировать всю собранную в емкости флегму в обход узла сбора готового продукта, что исключает возможность обратного перемещения флегмы по изгибу трубы навстречу восходящему потоку газа, движущемуся внутри изгиба трубы, исключая таким образом возможность нарушения соотношения объема флегмы и объема восходящих потоков пара, ведущего к «захлебу» ректификационной установки, нарушению технологии процесса ректификации и накапливанию в области отбора пара сивушных масел и вредных примесей, за счет чего снижается риск их попадания в готовый продукт через узел отбора готового продукта. Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении качества готового продукта ректификационной установки, тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики ректификационной установки.
Группа изобретений характеризуется ранее неизвестной из уровня техники совокупностью существенных признаков, что свидетельствует о ее соответствии критерию патентоспособности «новизна».
Группа изобретений связана между собой и образует единый изобретательский замысел, заключающийся в том, что узел сбора конденсата является частью ректификационной установки, что свидетельствует о соответствии группы изобретений требованию «единства изобретения».
Из уровня техники известен узел сбора конденсата ректификационной установки, в котором сбор паров узлом отбора готового продукта осуществляется непосредственно из трубки, по которой флегма движется из дефлегматора. Получение качественного продукта при помощи установки с таким узлом сбора конденсата является очень трудоемким, при этом получение высококачественного продукта посредством применения игольчатого клапана в возвратной магистрали зачастую является невозможным. Также из уровня техники известна ректификационная установка, в которой процесс сбора паров узлом сбора готового продукта осуществляется с определенного уровня колонны, однако ввиду конструкции элемента сбора конденсата, который представлен неполной перегородкой, невозможно гарантировать то, что флегма из дефлегматора всегда движется в обход области, из которой происходит сбор паров, ввиду ее возможного переполнения. При этом конструкция узла сбора конденсата, при которой сбор флегмы осуществляется в отдельную емкость и после этого не только гарантированно транспортируется в обход места подключения узла сбора готового продукта, но и минимизирует степень взаимодействия собранной флегмы с восходящими потоками пара в месте изгиба трубы, из уровня техники не известна. Также в уровне техники не раскрыт эффект, заключающийся в улучшении качества готового продукта. Ввиду этого группа изобретений соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».
Группа изобретений поясняется следующими фигурами.
Фиг.1 – Ректификационная установка.
Фиг.2 – Узел сбора конденсата ректификационной установки.
Фиг.3 – Узел сбора конденсата ректификационной установки, продольный разрез.
Фиг.4 – Узел сбора конденсата ректификационной установки с вентилем регулирования потока конденсата из емкости.
Для иллюстрации возможности реализации и более полного понимания сути группы изобретений ниже представлен вариант ее осуществления, который может быть любым образом изменен или дополнен, при этом настоящая группа изобретений ни в коем случае не ограничивается представленным вариантом.
Ректификационная установка состоит из последовательно подключенных друг к другу перегонного куба 1, царг-диоптров 2 и 3, между которыми установлена металлическая царга 4. К царге-диоптру 3 подключен узел сбора конденсата, представленный в виде изогнутой трубы 5 с элементом сбора конденсата, который представлен в виде емкости 6, подключенной к изогнутой трубе 5 трубкой 7. При этом с одной стороны изогнутой трубы 5 подключен узел сбора готового продукта, содержащий кран 8, дефлегматор 9 и штуцер 10 сбора готового продукта, а с другой стороны к изогнутой трубе 5 подключен дефлегматор 11 и штуцер 12 связи узла сбора конденсата с атмосферой. При этом для подключения указанных элементов изогнутая труба 5 содержит элемент 13 для подключения узла сбора конденсата к узлу сбора готового продукта, элемент 14 для подключения узла сбора конденсата к царге-диоптру 3 и элемент 15 для подключения к изогнутой трубе дефлегматора 11, а соединение элементов ректификационной установки обеспечивается за счет кламповых хомутов (не указаны на фигурах). При этом в одном из вариантов исполнения узел сбора конденсата содержит вентиль 16 регулирования потока конденсата из емкости.
Группа изобретений работает следующим образом.
В процессе нагрева водно-спиртовой смеси в перегонном кубе 1 пары поднимаются по элементам ректификационной установки в охлаждаемый проточной водой дефлегматор 11, где за счет их охлаждения и конденсации образуется флегма. По стенкам дефлегматора 11 флегма опускается в емкость 6, откуда по трубке 7 она попадает в изогнутую трубу 5, после чего она продолжает свое движение вниз по стенкам царг 3, 4 и 2 обратно в перегонный куб 1 навстречу восходящим потокам пара. После открытия крана 8 происходит отбор пара, его конденсация на стенках дефлегматора 9, охлаждаемого проточной водой, и сбор жидкой фазы продукта через штуцер 10. При этом за счет равномерного перемещения флегмы из дефлегматора 11 в перегонный куб 1 через емкость 6 и трубку 7 и далее по стенкам элементов ректификационной установки не только происходит улучшение противоточного тепломассообмена между флегмой и восходящим потоком пара кипящей водно-спиртовой смеси, но и исключается вероятность повышения гидродинамического сопротивления, оказываемого флегмой восходящим потокам пара на отдельных участках ректификационной установки, в том числе в месте перегиба изогнутой трубы 5. При этом за счет вентиля 16 обеспечивается возможность регулирования интенсивности потока флегмы, поступающей из емкости 6, что позволяет осуществлять плавную регулировку процесса ее возврата в перегонный куб 1. За счет этого достигается стабильность процесса ректификации и снижается риск накапливания в области сбора пара узлом сбора готового продукта сивушных масел и вредных примесей и их попадания в узел сбора готового продукта и, соответственно, в готовый продукт.
Благодаря этому обеспечивается достижение технического результата, заключающегося в повышении качества готового продукта ректификационной установки, тем самым улучшаются эксплуатационные характеристики ректификационной установки.
1. Ректификационная установка, содержащая последовательно подключенные друг к другу перегонный куб, царгу и узел сбора конденсата, при этом узел сбора конденсата представлен в виде изогнутой трубы с элементом сбора конденсата, которая до перегиба содержит подключенный к ней узел сбора готового продукта, а после перегиба содержит подключенный к ней дефлегматор, отличающаяся тем, что элемент сбора конденсата представлен в виде емкости, расположенной на трубе после места ее перегиба, при этом внутреннее пространство емкости соединено с внутренним пространством изогнутой трубы, а место соединения внутреннего пространства емкости с внутренним пространством изогнутой трубы расположено на трубе ниже места подключения узла сбора готового продукта.
2. Ректификационная установка по п.1, отличающаяся тем, что емкость расположена соосно с дефлегматором и/или с отверстием для соединения внутренней полости изогнутой трубы с дефлегматором.
3. Узел сбора конденсата ректификационной установки, представленный в виде изогнутой трубы с элементом сбора конденсата, которая до перегиба содержит элемент для подключения к узлу сбора готового продукта и элемент для подключения к царге, а после перегиба содержит элемент для подключения к дефлегматору, отличающийся тем, что элемент сбора конденсата представлен в виде емкости, расположенной на трубе после места ее перегиба, при этом внутреннее пространство емкости соединено с внутренним пространством изогнутой трубы, а место соединения внутреннего пространства емкости с внутренним пространством изогнутой трубы расположено на трубе ниже места подключения узла сбора готового продукта.
4. Узел сбора конденсата ректификационной установки по п.3, отличающийся тем, что форма поперечного сечения емкости соответствует форме поперечного сечения изогнутой трубы.
5. Узел сбора конденсата ректификационной установки по п.3, отличающийся тем, что емкость расположена соосно с отверстием для соединения внутренней полости изогнутой трубы с дефлегматором.
6. Узел сбора конденсата ректификационной установки по п.3, отличающийся тем, что содержит элемент соединения внутреннего пространства емкости с внутренним пространством трубы, которое снабжено средством регулирования потока конденсата из емкости.
