Принципиальные схемы коньячных перегонных установок. 7 страница

а также крепости перегоняемой жидкости (табл. 18). Такая же зависимость наблюдается и для Ки примесей.

Для пересчета концентрации летучих веществ, выраженной ъ молярных процентах, в массовые и объемные проценты и обратно используют следу­ющие формулы:

*мол = (*мас: Л*_а) Ю0/[х_мас: М_а + (100 — л;_мас): М_в];

Хмас = ХмолМ_а-100/[х_молМ_а + (100~х_ыол) М_в], "•

где Л1_а и Л1 в — молекулярные массы чистого компонента соответственно А и В, кг/моль;

*мас = ЯобРаДРа #об)>

*об = *масРа*об/Ра>

где р_а — плотность чистого компонента А при 20 °С; х₀б — объемная кон­центрация чистого компонента А при 20 °С.

Из данных табл. 18 следует также, что относительное содер­жание этилового спирта в парах увеличивается по мере сниже­ния спиртуозности жидкости в кубе. Исключение составляет точка С (см. рис. 71), в которой при атмосферном давлении обеспечивается равенство состава пара и жидкости при крепо­сти этилового спирта 89,41 % мол. (97,5 % об.).

Поскольку коэффициенты ректификации характеризуют ле­тучесть примесей по сравнению с летучестью этилового спирта, их величины позволяют судить о степени очистки этилового спирта от той или иной примеси. Ориентируясь на них, можно точно определить, при какой спиртуозности этилового спирта летучая примесь носит головной (Кр. п>1), промежуточный (Л'р. п=1) и хвостовой (/Ср. _п<1) характер.

Так, например, в условиях перегонки при атмосферном давлении коньяч­ных виноматериалов на спирт-сырец при содержании этилового спирта от 4,16% мол. (12,2% об.) до 0,004%, мол. (0,03% об.) дистиллят будет час­тично очищен от метилового, Р-фенилэтилового спиртов, уксусной и масляной кислот (Кр. п<1). Остальные летучие примеси будут головными. При фрак­ционной перегонке спирта-сырца от исходной крепости 11,53% мол.

Ю 20 J 0 40 50 60 70

Уомол.

(30,5 % об.) до 0,004 % мол. (0,03 % об.) в первоначальный момент сгонки, связанный с отбором головного погона, дистиллят будет обогащаться метило­вым.спиртом (Кр. п=1,42), уксусным альдегидом (Кр. _п=4,95), этиловыми' эфирами уксусной и каприновой кислот (Кр. п соответственно равен 7,79 и 9,92). В этот же момент сгонки изо-амиловый спирт и этиловый эфир мо­лочной кислоты имеют Кр. п, близкий к единице, т. е. они являются промежу­точными примесями. В дальнейшем по мере снижения спиртуозности перего­няемой жидкости они приобретают ха­рактер головных.

Р;:е. 71. Кривая равновесия си­стемы этиловый спирт—вода

Таким образом, использова­ние коэффициентов испарения и

ректификации примесей дает возможность проводить анализ работы дистилляционных установок и определять в зависимо­сти от спиртуозности перегоняемой жидкости условия накопле­ния летучих веществ в дистиллятах.

При перегонке вина или спирта-сырца наряду с содержа­щимися в них летучими веществами отгоняются также соеди­нения, образовавшиеся в процессе самой перегонки.

Образование летучих соединений при перегонке. Длитель­ное кипячение (8—10 ч) виноматериала или спирта-сырца при перегонке по классической (шарантской) технологии создает благоприятные условия для прохождения сложных реакций, следствием которых является образование новых продуктов. В эти реакции вовлекаются как нелетучие соединения вина (уг­леводы, азотистые, фенольные соединения, нелетучие кислоты и др.), так и летучие. В результате в самом кубе происходит увеличение количества одних составных веществ летучего ком­плекса перегоняемой жидкости за счет новообразования, умень­шение содержания других в результате их превращений, а также появление новых химических соединений. Эти про­дукты частично переходят в дистиллят и оказывают сущест­венное влияние на качество коньячного спирта. Поэтому отсут­ствие условий, обеспечивающих новообразование летучих сое­динений и их переход в дистиллят, делает невозможным получение на некоторых конструкциях дистилляционных аппа­ратов коньячного спирта, равноценного по качеству спирту классического (шарантского) способа перегонки.

В кубе во время кипячения вина происходит образование альдегидов, спиртов, кислот, эфиров, летучих фенолов и других соединений. В зависимости от исходного состава виномЗтериа-лов, содержания в них дрожжевого осадка количества новооб-разующихся веществ могут колебаться в заметных пределах. Так, прирост альдегидов может составить 3—60 %, летучих эфиров — 5—30 %, высших спиртов 0—3 %, летучих кислот 0— 1 %. Образование этих соединений связано со многими процес­сами, среди которых наиболее значимы окислительно-восстано­вительные, реакции меланоидинообразования, этерификации, распада.

Высокая температура вина в кубе, а также наличие кисло­рода создают благоприятные условия для интенсивного прохож-. дения окислительно-восстановительных процес­сов, в которые вовлекаются многие соединения вина.

Так, окисление спиртов, и прежде всего этилового, приводит к образованию альдегидов — уксусного, изобутилового, изо'ами-лового, бензилового, р-фенилэтилового и др. Источником обра­зования альдегидов может быть также окислительное дезами-нирование и последующее декарбоксилирование аминокислот. Возникающие при этом альдегиды содержат на один углерод­ный атом меньше, чем исходная аминокислота.

40»

Дальнейшее окисление альдегидов приводит к образованию соответствующих кислот, которые вовлекаются затем в различ­ные реакции_ч

Реакция меланоидинообразования интенсивно протекает в процессе перегонки. Ее промежуточными продук­тами являются алифатические альдегиды, летучие кислоты, аль­дегиды фуранового ряда и другие продукты. Количество» этих соединений повышается по мере увеличения продолжительно­сти перегонки. Реакция меланоидинообразования проходит более интенсивно в присутствии дрожжей, что влечет накопле­ние больших количеств летучих веществ при дистилляции вина с дрожжевым осадком. Присутствующие в вине пентозы, мётил-пентозы, гексозы обеспечивают появление фурфурола, метил-фурфурола, оксиметилфурфурола, а также фурилкарбинола, фурилакролеина, фуранкарбоновой кислоты.

Реакции этерификации также имеют место при пе­регонке. В наибольших количествах из эфиров при перегонке образуется уксусноэтиловый эфир, меньше накапливается ме-тилацетата, изобутилацетата, изоамилацетата, зтилсукцината, диэтилмалата, этилсалицилата. Большему новообразованию эфиров в кубе способствует более, низкое значение рН вина. Добавление дрожжевых осадков к перегоняемому вину резко увеличивает прирост эфиров в дистилляте. Это связано с пере­ходом в вино из дрожжей высших спиртов, вступающих в даль нейшем в реакции этерификации, а также энантового эфира. Экспериментально установлено, что при дистилляции вина с дрожжами (до 7%) в течение 6—8 ч происходит прирост в дистилляте н-пропанола (29,4 %), изобутанола (30,5 %), ак­тивного изоамилола (39,5 %), неактивного изоамилола (42,5 %). Помимо спиртов алифатического ряда в дистилляте увеличи­вается содержание терпеновых спиртов — линалоола, а-терпи-неола, ароматических — р-фенилэтанола, бензилового спирта. В винах эти спирты содержатся в небольших количествах. С увеличением продолжительности перегонки количество выс­ших спиртов увеличивается, в особенности высококипящих и труднолетучих. Как правило, их больше в последних пробах дистиллята. Новообразовавшиеся спирты вступают также в ре­акцию этерификации. В дистилляте экспериментально обнару­жены линалилацетат, терпенилацетат, р-фенилэтанолацетат, бензилацетат.

При кипячении виноматериала в кубе проходят гидроли­тические процессы, реакции дегидратации, де-карбоксилирование. В результате имеют место распад углеводов, дегидратация пентоз и гексоз и образование цикли­ческих альдегидов, распад сложных эфиров, ацеталей. Возни­кающие продукты вовлекаются в ходе перегонки в новые реак­ции, образуя летучие вещества.

Таким образом, перегонка вина, являющегося сложной мно- 410

гокомпонентной системой, сопровождается глубокими превра­щениями входящих в его состав компонентов. В результате об­разуются новые продукты, часть из которых может отсутство­вать в исходном вине. Их источником могут быть нелетучие компоненты вина (углеводы, азотистые вещества), претерпе­вающие различные превращения в результате участия в окис­лительно-восстановительных процессах, реакциях меланоидино­образования, дегидратации и др. Образование новых соедине­ний может осуществляться также за счет летучих веществ вина, например при этерификации, окислительных процессах.

Помимо состава вина значительное влияние на образование летучих веществ при перегонке оказывает режим работы ап­парата, в частности продолжительность сгонки. Влияние ре­жима работы аппарата выражается удельной тепловой нагруз­кой на виноматериал (в кДж-ч/дал) q = QxjD, где Q —количе­ство тепла, переданное виноматериалу от теплоносителя, кДж; т — продолжительность теплового воздействия на виномате­риал, ч; D — количество исходного виноматериала, дал.

Для установки шарантского типа удельная тепловая нагрузка на вино-материал равна 72—78 тыс. кДж-ч/дал; на аппаратах непрерывного дейст­вия типа К-5 180—200 кДж-ч/дал, поскольку, задержка виноматери­ала на тарелках аппарата составляет всего 0,03 ч. Чтобы повысить удель­ную тепловую нагрузку на виноматериал в перегонных аппаратах непрерыв­ного действия до уровня шарантских аппаратов, необходимо установить до­полнительный резервуар (перегреватель). Его вместимость будет определяться производительностью установки, а также температурой нагрева виномате­риала. Так, при температуре кипения и расходе виноматериала 120— 150 дал/ч должна быть обеспечена задержка виноматериала в перегрева­теле до 10 ч. Повышение температуры обработки до 110°С (нагрев при дав­лении 150 кПа) сокращает продолжительность выдержки виноматериала до 4—5 ч и способствует уменьшению вместимости резервуара, в котором такая обработка проводится. Поддерживать температуру 110°С и давление 15 кПа можно за счет установки напорного бака для виноматериала на вы­соте 15 м от перегревателя.

На появление новых продуктов при перегонке оказывает влияние также материал перегонного аппарата. Эксперимен­тально установлено, что ионы меди катализируют ряд химиче­ских реакций, проходящих в кубе, в частности окислительно-восстановительные реакции. Ионы меди играют и другую важную роль. Так, проведенные во Франции исследования пока­зали, что спирт, полученный в кубе из нержавеющей стали или стекла, имеет неприятный запах из-за присутствия ^-в нем жир­ных кислот, переходящих в вино из дрожжей. Медь при ди­стилляции образует с жирными кислотами нерастворимые соли, появляющиеся в дистилляте в конце перегонки в виде частичек масла зеленого или коричневого цвета, легко всплывающих на поверхность спирта-сырца. По составу эти частички представ­ляют собой соли меди с масляной, капроновой, каприловой,лау-риновой кислотами.

Рис. 72. Принципиальные схемы установок по производству коньячного спирта:

а — шарантского типа; б — однократной сгонки; в — К-5; г — К-5м; д — с промежуточ­ным отбором фракции из укрепляющей колонны; е ~ сырцовая брагоректификацион-ная; ж —с эпюрацией крепкого спиртопродукта; з —с раздельным отбором фракций коньячного спирта; / — куб; 2 — шаровой воздушный дефлегматор; 3 — холодильник-конденсатор; 4 — дефлегматор с водяным охлаждением; 5 — перегонная колонна; 6 — конденсатор; 7 — перегреватель; 8 — охладитель перегретого вина; 9 — эпюрационная колонна; В —барда; В — виноматериал; Г — головной погон; Д — дистиллят; С —спирт-сырец; К — коньячный спирт;.К — хвостовая фракция; Я —греющий пар; О —охлаж­дающая вода; Ф — флегма

В коньячном производстве СССР используют коньячные уста­новки как периодического, так и непрерывного действия. На первых получают примерно 64%, на вторых —34% коньячного спирта. Считается, что для марочных коньяков лучшими явля­ются спирты, получаемые на аппаратах периодического дей­ствия двойной сгонки. На их долю приходится примерно 4 % вырабатываемого спирта. Другие системы коньячных аппаратов не всегда обеспечивают получение высококачественных коньяч­ных спиртов. Это объясняется тем, что их конструкции не поз­воляют достаточно полно воспроизвести режимы, принятые для классического (шарантского) способа. Главным при этом яв­ляется фракционирование коньячного спирта от летучих ве­ществ по мере снижения спиртуозности перегоняемой жидко­сти, а также прохождение процессов новообразования летучих примесей при дистилляции.

Принципиальные схемы основных коньячных установок, ис­
пользуемых в Советском Союзе и за рубежом, показаны на
рис. 72.;

В установке шарантского типа (рис. 72, а) ча­стичная очистка коньячного спирта от хвостовых и головных 412

примесей осуществляется при сгонке спирта-сырца. Эта сгонка является второй. Перегонка виноматериала (первая перегонка) сопровождается не только отгонкой в дистиллят основной массы летучих веществ вина, но и прохождением процессов но­вообразования веществ. Новые вещества также подвергаются фракционированию при второй перегонке.

Аппараты однократной сгонки периодиче­ского действия (рис. 72, б) объединяют в единый процесс две простые перегонки с дефлегмацией. Это приводит к сокра­щению промежуточной операции — получения спирта-сырца. Фракционирование коньячного спирта от головных и хвостовых примесей также осуществляется на этом аппарате. Поскольку фракционирование новообразующихся примесей здесь проте­кает одновременно с их новообразованием, то часть подлежа­щих удалению с головной фракцией веществ будет поступать в коньячный спирт.

В аппарате К-5 непрерывного действия (рис.72, в) две простые перегонки воспроизводятся в потоке путем от­гонки этилового спирта и летучих примесей в специальной та­рельчатой колонне с последующим укреплением спиртовых па­ров до кондиций коньячного спирта в двух дефлегматорах. Коньячный спирт в этом случае не фракционируется от голов­ных и хвостовых примесей. С другой стороны, кратковремен­ность пребывания виноматериала в аппарате (0,03—0,04 ч) не обеспечивает прохождения процессов новообразования летучих веществ. Неблагоприятными следует также считать условия обогащения коньячного спирта летучими примесями. Поступле­ние летучих примесей в дистиллят при перегонке вина и спирта-сырца на аппаратах периодического действия, как известно, протекает при непрерывном снижении спиртуозности кубовой жидкости, что ведет к изменению коэффициентов испарения примесей, а следовательно, и к изменению распределения самой примеси в той или иной части погона. При дистилляции вина на аппарате К-5 непрерывного действия в зоне отбора основ­ного погона не обеспечиваются аналогичные условия для на­копления примесей в коньячном спирте. Это объясняется тем, что Кп примесей в связи с практически неизмененными при ус­тановившемся режиме работы аппарата условиями (спиртуоз-ность смеси на тарелке питания, соотношение между паром и жидкостью) остаются постоянными. Следовательно, переход ле­тучих примесей в дистиллят здесь лимитирован, что не может не сказаться на их количестве, а также соотношении в основ­ном погоне. Этот недостаток обнаруживается и в других аппа­ратах непрерывного действия, показанных на рис. 72 (г, д, е, ж). К достоинствам аппарата К-5 следует отнести высокую про­изводительность, экономичность по эксплуатационным показа­телям, простоту в управлении. По классификационной характе­ристике, принятой в спиртовой промышленности, подобные

установки можно отнести к разряду сырцовых ректификацион­ных установок для получения спирта-сырца из бражки. Послед­ние отличаются от коньячных большим числом укрепляющих элементов (теоретических тарелок). Так, если в коньячных ус­тановках укрепляющая часть состоит из двух теоретических та­релок (т. т.) и укрепляющий эффект достигается за счет де­флегмации, то в сырцовых ректификационных установках число т. т. возрастает до шести и укрепление происходит в тарельча­той колонне.

На установке К-5м непрерывного действия, изображен­ной на рис. 72, г, для очистки коньячного спирта от головных примесей предусмотрена эпюрационная колонна. Эта колонна работает по принципу обратного холодильника. В конденсаторе эпюрационной колонны предусмотрен отбор дистиллята в ко­личестве 1—5 % ^в пересчете на безводный спирт, поступающий с перегоняемой жидкостью. С этим дистиллятом (головная фракция) отбирается и часть сконцентрированных летучих при­месей вина, избыточное количество которых в коньячном спирте ухудшает его качество. После освобождения от головных приме­сей виноматериал подвергается дальнейшей дистилляции с целью получения коньячного спирта. Дополнительно уста­новка оборудована перегревателем вина и кубом для задержки барды в кипящем состоянии с целью обеспечения прохождения процессов новообразования летучих веществ. Процесс укрепле­ния спиртовых паров до кондиций коньячного спирта основан на том же принципе, что и в установке, изображенной на рис. 72, в.

Укрепление спиртовых паров до кондиций коньячного спирта осуществляют также в установках с тарельчатыми колоннами. На рис. 72, д представлена схема установки с промежу­точным отбором фракции. Процесс укрепления спир­товых паров в тарельчатой колонне сопряжен с отбором фрак­ций. В этом случае головная, средняя (коньячный спирт) и хвостовая фракции отбираются с промежуточных тарелок ук­репляющей колонны. На этой установке также предусмотрены условия для прохождения процессов новообразования летучих веществ путем перегрева виноматериала в специальной емкости и задержки кипящей барды в кубе.

В установках брагоректификационного типа (рис. 72, е) используются укрепляющие колонны с большим числом тарелок. Они нашли широкое распространение в США, Австралии, Канаде при производстве бренди, виски, спирта. В таких установках в единый процесс непрерывной перегонки объединено до 15 простых перегонок. В зависимости от условий перегонки с промежуточных тарелок укрепляющей колонны та­кого аппарата могут быть отобраны: коньячный спирт и голов­ная фракция; спирт-сырец; эфироальдегидная фракция, спирт этиловый и сивушное масло. Подобные установки не обеспечи-

вают получения коньячного спирта требуемого состава, по­скольку в зоне его отбора при постоянной крепости исходной жидкости в дистиллят будут переходить летучие примеси, коли­чество которых ограничивается постоянной крепостью этилового спирта в зоне отбора.

Помимо установок, воспроизводящих в непрерывном потоке две простые перегонки на одноколонных аппаратах с отгонной и укрепляющей частями, в практике производства коньячного спирта нашли широкое применение двух- и трехколонные ап­параты непрерывного действия. На рис. 72, ж представлена схема двухколонного аппарата непрерывного действия с эпюрацией крепкого спиртопро-дукта. В первой колонне происходит укрепление спиртовых паров до кондиций коньячного спирта, во второй — очистка по­лученного дистиллята от примесей головного характера. Вторая колонна работает по принципу эпюрационной. Она обеспечи­вает очистку коньячного спирта от головных примесей. В этой установке сделана попытка воспроизвести в потоке два цикла простых перегонок, с которыми связан процесс получения конь­ячного спирта по классической (шарантской) технологии. Од­нако здесь, как и в предыдущих случаях, предусмотрен отбор основной фракции в одной точке, в которой не могут быть обес­печены условия перегонки, предусматривающие обогащение ди­стиллята летучими примесями по мере снижения спиртуозности перегоняемой жидкости.

Направленное регулирование химического состава получае­мого коньячного спирта может быть достигнуто на установке непрерывного действия с раздельным отбором фракций, представленной на рис. 72, з. В отгонной колонне такого аппарата предусмотрен максимальный отбор летучих примесей и этилового спирта. Такой отбор достигается за счет вывода спиртовых паров отгонной колонны,при различных кре­постях перегоняемого виноматериала. Спиртовые пары посту­пают в эпюрационную колонну, в которой происходит их сме­шение. Основная масса паров после смешения и конденсации отводится в виде жидкости (эпюрата) в окончательную ко­лонну. Меньшая часть (1—5 % в пересчете на безводный спирт) образует головную фракцию и отбирается через конденсатор или с промежуточных тарелок концентрационной части эпюрацион­ной колонны. Эпюрат, близкий по своему составу спирту-сырцу, получаемому на аппаратах периодического действия, дистилли­руется затем в окончательной колонне, в которой производится отбор спиртовых паров в нескольких точках при различной кре­пости эпюрата. После конденсации спиртовых паров получае­мые дистилляты смешиваются. Такое их смешение обеспечивает обогащение коньячного спирта летучими примесями, переходя­щими в дистиллят при различной крепости эпюрата. Следова­тельно, в этом случае, как и во время перегонки на аппаратах

периодического действия, обогащение коньячного спирта лету­чими веществами происходит по мере снижения крепости спирта-сырца. Таким образом, в этой установке благодаря на­личию промежуточных зон отбора дистиллята создаются благо­приятные условия для получения коньячных, а также плодовых спиртов регулируемого состава.

Аналитические исследования коньячных установок. Их целью является установление оптимальных режимов перегонки виноматериалов на аппара­тах различных систем. Они включают определение выходов продуктов пе­регонки, расхода пара и охлаждающей воды в теплообменниках, условий накопления летучих веществ в дистиллятах. Определение выходов продук­тов и расхода пара и воды (эксплуатационных показателей) проводится од­новременно по специальным формулам и начинается, как правило, с состав­ления материальных и тепловых балансов продуктов перегонки.

Для определения условий накопления летучих веществ вина в коньяч­ном спирте используют аналитические (расчетные) методы исследований. Эти методы базируются на использовании усредненных данных состава ле­тучих веществ вина, а также результатов продуктовых расчетов. На их ос­нове определяют по специальным уравнениям, включающим коэффициенты испарения летучих примесей, условия накопления этих примесей в коньяч­ном спирте при дистилляции вина на установках различных систем без учета их новообразования.

Аналитический метод исследования позволяет выявить не только пре­имущества и недостатки той или иной конструкции коньячных установок при оптимальных режимах дистилляции, но и найти стабильные показатели оценки их дистиллирующей способности. Так, с помощью аналитического ме­тода нетрудно установить степень перехода абсолютных количеств летучих веществ из вина в коньячный спирт. В качестве групповых тестов летучих веществ используют этиловый спирт, высшие спирты, летучие кислоты. Вы­бор этих соединений обусловлен их малым новообразованием в процессе дистилляции виноматериалов, а также возможностью характеризовать с оп­ределенной условностью летучесть других соединений вина. Так, легколету­чие вещества и вещества средней летучести вина будут вести себя при перегонке, как этиловый спирт и высшие спирты, труднолетучие — как ле­тучие кислоты.

Как показали исследования, проведенные для шарантских аппаратов, а также аппаратов, воспроизводящих классический режим перегонки, отно­шения абсолютных количеств летучих веществ, принятых в качестве тес­тов, содержащихся в коньячном спирте С_КД_К, к абсолютным их количе­ствам в исходном виноматериале С_вДл (где Д_к, Дв — количества соответ­ственно коньячного спирта и виноматериала, л; С„, С_в — концентрация веществ соответственно в коньячном спирте и виноматериале, г/л) сохраняют определенное постоянство. Для этилового спирта, высших спиртов, летучих кислот они соответственно равны 0,85—0,9; 0,8—0,85; 0,02—0,036. Выражая эти показатели в процентах, можно характеризовать степень обогащения коньячного спирта тем или иным летучим веществом вина. В данном случае в составе коньячного спирта будет 85—90 % этилового спирта, 80—85 % высших спиртов, 2—3,6 % летучих кислот, содержавшихся в исходном вине. Примерно в таких же соотношениях будут находиться в коньячном спирте и другие соединения, летучесть которых близка к летучести этилового спирта, высших спиртов, летучих кислот.

Аналитические исследования ряда коньячных установок показали це­лесообразность очистки коньячных спиртов, получаемых на аппаратах не­прерывного действия, от хвостовых примесей. Их содержание в дистил­лятах коньячного спирта может значительно превышать оптимальные. Так, спирт, полученный на установке, изображенной на рис. 72, е, переобогаща­ется уксусной кислотой на 12—40 %.

Рис. 73. Кубовой перегонный аппа­рат с паровым подогревом УПКС

Дата добавления: 2014-10-31