Устройство для производства этилового спирта
Изобретение относится к спиртовой промышленности. Предложено устройство для производства спирта, содержащее герметичную емкость брожения-отгонки, конденсатор водно-спиртовых паров со сборником образованного конденсата и вакуумную линию, с по крайней мере одним вакуумным насосом, расположенным вне герметичной емкости, в котором герметичная емкость брожения-отгонки разделена внутренними перегородками на свободно сообщающиеся по газовой фазе зоны, в одной из которых размещен конденсатор водно-спиртовых паров со сборником образованного конденсата, в другой находится бродящее сусло с открытым зеркалом жидкости, в одной из зон расположено газодувное устройство, обеспечивающее циркуляцию разреженной парогазовой среды по контуру: конденсатор водно-спиртовых паров - зеркало бродящего сусла - конденсатор водно-спиртовых паров. Изобретение позволяет обеспечить возможность проведения одновременно идущих процессов непрерывного сбраживания и удаления спирта, воды и углекислого газа из бродящего сусла при абсолютном давлении в бродильной емкости, кратно превышающем предельно допустимое парциальное давление паров спирта, вплоть до атмосферного давления и выше. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к спиртовой промышленности.
Известен способ получения этилового спирта, включающий осуществляемые при пониженном давлении непрерывное сбраживание сусла и непрерывную отгонку водно-спиртовых паров и углекислого газа, образующихся в процессе сбраживания, сжатие указанных водно-спиртовых паров и углекислого газа, конденсацию водно-спиртовых паров, передачу бродящему суслу тепла, выделяющегося в процессе конденсации водно-спиртовых паров, непрерывный отвод сконденсированных водно-спиртовых паров и углекислого газа, разделение сконденсированных водно-спиртовых паров и углекислого газа и непрерывное пополнение сусла по мере отвода сконденсированных водно-спиртовых паров, углекислого газа и барды (RU 2230788 С2, 2001 г.).
Известно устройство для производства спирта, содержащее батарею герметичных емкостей брожения-отгонки с внешним циркуляционным контуром по суслу, вакуум-насос, конденсаторы, размещенные внутри емкостей брожения-отгонки в объеме жидкости, блок разделения сконденсированных водно-спиртовых паров и углекислого газа и сборник образованного конденсата (RU 2230788 С2, 2001 г. - прототип).
Способ и устройство позволяют в процессе спиртового брожения непрерывно отводить из сбраживаемого сусла продукты жизнедеятельности дрожжей, а именно спирт и углекислый газ, являющиеся ингибиторами процесса спиртового брожения, в результате чего улучшаются условия сбраживания, следствием чего достигаются эффекты интенсификации процесса спиртового брожения и снижения содержания в барде и спирте нецелевых продуктов брожения и перегонки, повышение кормовой ценности образуемой барды.
Недостатком указанного технического решения является то, что перемещение парогазовой среды к поверхностям конденсации паров и удаление выделяющегося в процессе брожения неконденсирующегося углекислого газа в атмосферу осуществляются одним и тем же газодувным устройством, а именно вакуумным насосом.
Спирт и углекислый газ в процессе брожения образуются в соотношении близком к эквимолярному, поэтому газодувное устройство должно обеспечивать компрессию до атмосферного давления не только всего объема выделяющегося при брожении углекислого газа, но и сопоставимых с ним объемов водяных и спиртовых паров для перемещения их к поверхностям конденсации.
Парциальное давление спиртовых паров в удаляемой парогазовой среде имеет прямую зависимость от концентрации спирта в сусле, которая согласно заявленных целей известного технического решения поддерживается на низком уровне, и от температуры, которая не может превышать температуру, при которой нарушается жизнедеятельность дрожжей в сбраживаемом сусле. Предельно допустимое условиями непрерывного сбраживания парциальное давление спиртовых паров многократно ниже величины атмосферного давления (составляет около 3-5 кПа).
Соотношение объемов, занимаемых парами спирта и углекислым газом в удаляемой парогазовой среде, обусловлено условиями их отгонки в процессе непрерывного сбраживания, следовательно, парогазовая среда, находящаяся согласно известному техническому решению внутри батареи герметичных емкостей брожения-отгонки, имеет принципиальное ограничение по максимально допустимому абсолютному давлению, которое близко к предельно допустимому парциальному давлению паров спирта и кратно ниже атмосферного давления.
Чтобы обеспечить необходимую массовую скорость перемещения водно-спиртовых паров и сопоставимого объема углекислого газа, входящих в состав парогазовой среды, сначала к поверхностям конденсации, а затем в атмосферу, газодувное устройство согласно известного технического решения должно обладать высокой объемной производительностью и высокой степенью компрессии. Высокая степень компрессии в совокупности с требуемой высокой объемной производительностью приводит к значительному расходу энергии, связанному с необходимостью удаления большого количества выделяемого в процессе брожения углекислого газа при соблюдении условия поддержания глубокой степени разрежения в герметичных емкостях брожения-отгонки.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в снижении энергетических затрат при непрерывном производстве спирта, а именно в обеспечении возможности проведения одновременно идущих процессов непрерывного сбраживания и удаления спирта, воды и углекислого газа из бродящего сусла при абсолютном давлении в бродильной емкости, кратно превышающем предельно допустимое парциальное давление паров спирта, вплоть до атмосферного давления и выше.
Поставленная задача (технический результат) достигается тем, что устройство для производства спирта, содержащее герметичную емкость брожения-отгонки, конденсатор водно-спиртовых паров со сборником образованного конденсата и вакуумную линию, с по крайней мере одним вакуумным насосом, в котором согласно заявляемому изобретению герметичная емкость брожения-отгонки разделена внутренними перегородками на свободно сообщающиеся по газовой фазе зоны, в одной из которых размещен конденсатор водно-спиртовых паров со сборником образованного конденсата, в другой находится бродящее сусло с открытым зеркалом жидкости, в одной из зон расположено газодувное устройство, обеспечивающее циркуляцию разреженной парогазовой среды по контуру: конденсатор водно-спиртовых паров - зеркало бродящего сусла - конденсатор водно-спиртовых паров.
Конденсатор водно-спиртовых паров и сборник образованного конденсата охлаждаются холодильной машиной, конденсатор холодильной машины предпочтительно имеет прямой или опосредованный тепловой контакт с бродящим суслом.
Вакуумный насос предпочтительно снабжен спиртовой ловушкой с сепаратором, удаляющей пары воды и спирта из углекислого газа, откачиваемого из герметичной емкости брожения-отгонки.
В качестве газодувного устройства предпочтительно применен радиальный или осевой вентилятор.
Использование заявленного изобретения позволит получить следующий технический результат.
По сравнению с прототипом, у которого подвод парогазовой среды к охлаждаемым поверхностям конденсатора водно-спиртовых паров осуществляется вакуумным насосом с высоким перепадом давлений между всасывающим и нагнетающим патрубками, для подвода парогазовой среды к конденсатору водно-спиртовых паров (к испарителю холодильной машины) согласно изобретению требуется малый перепад давлений. Вентилятор при невысоких энергетических затратах обеспечивает требуемый перепад и высокую объемную скорость перемещения парогазовой среды, последовательно обдувающей конденсатор водно-спиртовых паров, зеркало бродящего сусла и вновь конденсатор водно-спиртовых паров. Отсутствие между зеркалом жидкости и конденсатором водно-спиртовых паров протяженных трубопроводов, обладающих существенным аэродинамическим сопротивлением, позволяет дополнительно повысить производительность газодувного устройства. Высокая объемная скорость перемещения парогазовой среды к охлаждаемым поверхностям конденсатора водно-спиртовых паров даже при давлении близком к атмосферному позволяет обеспечить высокую скорость испарения и удаления из объема бродящего сусла спирта, являющегося ингибитором процесса спиртового брожения.
Пониженное атмосферное давление внутри герметичной емкости положительно влияет на энергоэффективность работы вентилятора, что снижает капитальные и энергетические затраты, требуемые для обеспечения высокой объемной скорости перемещения парогазовой среды от зеркала жидкости к конденсатору. Работа вентилятора в условиях пониженного атмосферного давления уменьшает загрязнение его рабочих поверхностей вследствие брызгоуноса с поверхности зеркала жидкости, тем самым увеличивается ресурс работы вентилятора. Пониженное атмосферное давление одновременно снижает содержание в бродящем сусле углекислого газа, также являющегося ингибитором процесса спиртового брожения, и поэтому интенсифицирует процесс спиртового брожения. Вместе с тем поддержание внутри герметичной емкости сильно заниженного атмосферного давления требует повышенных энергетических затрат на работу вакуумного насоса. Поэтому целесообразно поддержание оптимального уровня разрежения внутри герметичной емкости в зависимости от интенсивности процесса брожения, а также типа используемых вакуумного насоса и газодувного устройства.
В отличие от прототипа, у которого вакуумный насос компримирует до атмосферного давления углекислый газ с высоким содержанием паров воды и спирта, согласно заявляемому изобретению вакуумный насос компримирует углекислый газ с минимальным остаточным содержанием паров воды и спирта. Предпочтительное рабочее разрежение внутри герметичной емкости также существенно меньше чем у прототипа, что в совокупности определяет существенно меньшие капитальные и энергетические затраты на работу вакуумного насоса и даже с учетом дополнительных энергетических затрат на работу вентилятора означает общий энергетический выигрыш.
Сущность изобретения поясняется чертежами.
На фиг. 1 изображена функциональная схема варианта устройства для получения этилового спирта, в котором конденсатор водно-спиртовых паров и сборник образованного конденсата расположены выше зеркала бродящего сусла.
На фиг. 2 изображена функциональная схема варианта устройства для получения этилового спирта, в котором конденсатор водно-спиртовых паров и сборник образованного конденсата расположены ниже зеркала бродящего сусла.
Устройство для получения этилового спирта содержит герметичный корпус 1 (емкость сбраживания-отгонки), разделенный внутренними перегородками на зоны, в одной из которых находится сусло 2, в другой сборник конденсата водно-спиртовых паров 3. Внутри герметичного корпуса также находится испаритель холодильной установки (конденсатор водно-спиртовых паров) 4, конденсатор холодильной установки (нагреватель) 5 и газодувное устройство 6. Устройство содержит расположенные вне герметичного корпуса спиртовую ловушку-сепаратор 7, вакуумный насос 8 и холодильную установку 9.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
В сусле 2 в процессе сбраживания происходит непрерывное образование углекислого газа и спирта. Вновь образовавшиеся вещества диффундируют из объема к поверхности зеркала жидкости и переходят в газовую фазу, повышая в ней парциальное давление углекислого газа и паров спирта.
Вентилятор 6 всасывает парогазовую среду, находящуюся над зеркалом жидкости и подает ее в зону испарителя 4 холодильной установки 9, на холодной внешней поверхности которого происходит конденсация части содержащихся в парогазовой среде паров воды и спирта. Сконденсированная жидкость стекает по поверхности испарителя 4 в охлаждаемый сборник конденсата водно-спиртовых паров 3, откуда непрерывно или периодически удаляется за пределы устройства. Охлажденная парогазовая среда с пониженным парциальным давлением паров воды и спирта возвращается к поверхности зеркала жидкости и, проходя над ней, вновь насыщается парами воды и спирта, испаряемыми с поверхности зеркала жидкости. Цикл замыкается.
В процессе интенсивного испарения с поверхности зеркала жидкости паров воды и спирта сусло охлаждается. Для поддержания температуры сусла предусмотрен его подогрев при помощи конденсатора 5 холодильной установки 9, который осуществляется либо непосредственным контактом внешних поверхностей конденсатора с суслом, либо через теплопроводящую перегородку, разделяющую сусло и конденсатор холодильной установки. Холодильная установка 9 осуществляет работу по передаче теплоты конденсации водно-спиртовых паров от испарителя 4 к конденсатору 5, а от него суслу 2.
В парогазовой среде непрерывно повышается содержание углекислого газа, поэтому для поддержания давления парогазовой среды внутри герметичного корпуса 1 на постоянном уровне производится принудительный отвод части охлажденной парогазовой среды с пониженным содержанием паров воды и спирта с помощью вакуумного насоса 8. Перед вакуумным насосом 8 расположена спиртовая ловушка-сепаратор 7, в которой происходит отделение непрерывно удаляемого углекислого газа от конденсата водно-спиртовых паров.
Благодаря своевременному удалению (отгонке) из сусла продуктов жизнедеятельности дрожжей - спирта и углекислого газа, являющихся ингибиторами процесса спиртового брожения, предотвращается их накопление в сбраживаемом сусле, в результате чего достигается эффект интенсификации процесса получения спирта и снижение содержания в спирте нецелевых продуктов брожения.
1. Устройство для производства этилового спирта, содержащее герметичную емкость брожения-отгонки, конденсатор водно-спиртовых паров со сборником образованного конденсата и вакуумную линию, с по крайней мере одним расположенным вне герметичной емкости вакуумным насосом, отличающееся тем, что герметичная емкость брожения-отгонки разделена внутренними перегородками на свободно сообщающиеся по газовой фазе зоны, в одной из которых размещен конденсатор водно-спиртовых паров со сборником образованного конденсата, в другой находится бродящее сусло с открытым зеркалом жидкости, в одной из зон расположено газодувное устройство, обеспечивающее циркуляцию разреженной парогазовой среды по контуру: конденсатор водно-спиртовых паров - зеркало бродящего сусла - конденсатор водно-спиртовых паров, конденсатор водно-спиртовых паров и сборник образованного конденсата охлаждаются холодильной машиной, конденсатор которой имеет прямой или опосредованный тепловой контакт с бродящим суслом.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вакуумный насос снабжен спиртовой ловушкой с сепаратором, удаляющей пары воды и спирта из углекислого газа, откачиваемого из герметичной емкости брожения-отгонки.
3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве газодувного устройства применен радиальный или осевой вентилятор.
