Схемы перегонки коньяка

Физическая сущность и схемы перегонки на аппаратах периодического действия

Процесс разделения жидких смесей перегонкой основан на том, что жидкости, составляющие смесь, обладают различной летучестью, то есть при одной и той же температуре обладают различной упругостью паров.

При перегонке виноматериала на аппаратах периодического действия происходит непрерывное уменьшение содержания этилового спирта в перегоняемой среде и в получаемом дистилляте. При этом между концентрацией спирта в жидкой и паровой фазах устанавливается определенная зависимость.

Существует множество исследований, посвященных изучению зависимости между составом равновесных фаз для системы этанол – вода. Существуют кривые равновесия, построенные по данным разных исследователей: Маргулеса, Сореля, Бергштрема, Гренинга и др. Однако своеобразный вид кривой равновесия создает большие трудности при выражении зависимости состава фаз в аналитической форме. Составить единое уравнение для всего диапазона концентраций вообще не удается, приходится составлять уравнения для определенного интервала концентраций.

Девятко и Стабников нашли, что на всем протяжении кривой равновесия может быть применена следующая функциональная зависимость:

формула зависимости этанол-вода ,

(1.1)

Где а – содержание этанола в жидкой фазе, % мас;

А – содержание этанола в парах, % мас;

P и s – константы, особые для каждого интервала концентраций.

В таблице 1 приведены значения коэффициентов р и s для разных интервалов концентраций этилового спирта в жидкой фазе.

Таблица 1.1 Значение коэффициентов p и s в формуле 1.1

Интервал концентрации этанола а, % мас.

Значение

Значение

 

Р

S

От 0 до 1

0,0178

0,074

От 1 до 52

0,0115

0,0779

От 52 до 76

0,0097

0,1715

От 76 до 100

0,0042

0,6003

Полученная зависимость имела ряд недостатков, таких как наличие на общих концах двух смежных отрезков области изменения а различных значений А. Кроме того, эмпирическая кривая не проходит через точку азеотропа. В связи с этим названные авторы предложили систему уравнений, в которых эти недостатки по возможности устранены. Область изменения величины разбивалась на 4 отрезка, для каждого из которых было предложено соответствующее уравнение, представленное в табл. 1.2.

Таблица 1.2 Зональные уравнения кривой равновесия

Интервалы концентраций а, % мас.

Уравнения

0,01-1

А=-2,5а2+13,25а

1-35

35-70

А=0,2543а+64,3

70-100

А=0,00029854а3-0,0635а2+4,8544а-48,95

Циганков  предложил разбить кривую равновесия на 5 участков и составил для каждого из них свое уравнение. При этом на всех участках, кроме первого, зависимость выражалась уравнением прямой линии, (табл. 1.3).

Таблица 1.3 Зональные уравнения кривой равновесия

Интервалы концентраций х, % мол.

Уравнения

0-23

23-55

У=0,395х+45,52

55-66,5

У=0,5087х+39,27

66,5-82

У=0,6548х+29,56

82-89,41

У=0,8113х+15,08

Фалькович для интервала концентраций в жидкости от 0,1 до 45 % об. приводит формулу равновесия между жидкостью и паром (дистиллятом) с учетом дефлегмации аппарата:

формула равновесия между жидкостью и паром

,

(1.2)

Где х - содержание спирта в исходной жидкости, % об.;

У - содержание спирта в выделяющихся парах, % об.;

А и b - постоянные коэффициенты.

Коэффициент “b” равен 0,0103 (соответствует обратной величине концентрации спирта в растворе, соответствующей азеотропной точке ), а величина коэффициента “а” изменяется в зависимости от дефлегмационного устройства аппарата от 0 (предельная дефлегмация) до 0,082 (отсутствие дефлегмации). Для шарантского аппарата а=0,067; для аппарата системы Петрова а=0,057; для аппарата ПУ-500 а=0,025.

Касаткин на основе уравнения материального баланса легколетучего компонента:

Wx = (W - dW)(x - dx) + ydW,

(1.3)

Где W – количество начальной смеси, подлежащей разделению при помощи простой перегонки;

DW – количество дистиллята;

Dx – изменение концентрации легколетучего компонента в исходной жидкости при испарении dW дистиллята;

Х – состав жидкости в кубе в долях летучего компонента;

У – состав пара над жидкостью в долях летучего компонента

Предлагает следующее уравнение взаимосвязи между продуктами простой перегонки:

уравнение взаимосвязи между продуктами простой перегонки

(1.4)

Или

 ,

(1.5)

Где Wn – остаток смеси в кубе;

Xn - состав жидкости в кубе.

Автор отмечает, что указанное уравнение можно решать лишь графически, так как не известна функциональная зависимость у=f(х).

Фалькович, подставляя значение У из уравнения (1.2) в уравнение (1.5) и решая интеграл, получила следующую аналитическую зависимость:

взаимосвязь между различными продуктами простой перегонки

(1.6)

Сачаво приводит ряд линейных уравнений, описывающих взаимосвязь между различными продуктами простой перегонки в диапазоне крепостей, применимых к коньячному производству. Однако в названной работе не приведены коэффициенты корреляции полученных уравнений, а также приведены усредненные данные без дифференциации в зависимости от объемной доли этилового спирта в получаемом коньячном спирте.

Порядок перехода летучих примесей в дистиллят зависит не только от температуры их кипения, но и от растворимости в водно-спиртовых растворах.

Фалькович экспериментальным путем были получены коэффициенты испарения некоторых примесей и установлено, что при любой перегонке содержание летучего компонента в парах зависит от концентрации его в жидкости.

Работами Фалькович и Мнджоняна были определены коэффициенты ректификации некоторых примесей при перегонке на аппаратах двойной сгонки. Полученные ими результаты позволяют заключить, что уксусный альдегид, ацеталь и сивушные масла являются типичными головными примесями, а фурфурол следует отнести к промежуточной примеси.

Коэффициенты испарения летучих кислот были определены на примере уксусной кислоты. Установлено, что летучесть уксусной кислоты зависит от типа перегонной установки и содержания спирта в жидкой фазе. Чем больше спирта в исходной жидкости и чем выше укрепляющее действие аппарата, тем меньше коэффициенты испарения уксусной кислоты.

Фертман на примере сивушных масел показал, что процесс очистки этилового спирта от примесей обусловливается степенью растворения этих примесей в водно-спиртовых растворах. Коэффициент ректификации одной и той же примеси изменяется при разной крепости спирта. При крепости перегоняемой жидкости не более 42 % об., изоамиловый спирт испаряется быстрее этилового в том случае, когда в имеющемся количестве этилового спирта еще может раствориться изоамиловый спирт. К такому же выводу пришел и Гладилин.

Поскольку в коньячном производстве крепость перегоняемых продуктов находится в интервале 8...32 % об., высшие спирты всегда ведут себя как головные примеси.

Необходимо отметить, что коэффициенты ректификации тех или иных примесей справедливы только для тройной системы: этиловый спирт - вода - примесь. Если в системе содержатся другие примеси, то коэффициент ректификации первоначальной примеси изменяется. Поэтому представляют интерес практические сведения о динамике перехода летучих примесей в дистиллят при перегонке.

По данным многих авторов, при перегонке виноматериала и спирта-сырца альдегиды, эфиры и высшие спирты интенсивнее переходят в дистиллят в начале перегонки. Причем в дистиллят, в первую очередь переходят сложные эфиры и альдегиды, а сивушные масла отгоняются вместе со спиртом. Содержание фурфурола в начальных фракциях дистиллята незначительное, к началу отбора хвостового погона - наивысшее, а к концу перегонки становится минимальным. Летучие кислоты имеют хвостовой характер, содержание их во фракциях дистиллята по мере перегонки возрастает.

Грехем, исследовавший процесс перегонки на кубовых аппаратах, установил, что сложные эфиры и альдегиды концентрируются в начальных фракциях. Уменьшение концентрации по мере перегонки у сложных эфиров происходит быстрее, чем у альдегидов. При увеличении скорости дистилляции в начальных фракциях увеличивается содержание летучих кислот.

Малтабар установил, что как при перегонке виноматериала, так и при перегонке спирта-сырца энантовые эфиры интенсивнее переходят в дистиллят в начале перегонки и значительное их количество теряется с головными погонами.

Мнджоян и Саакян [10] показали, что при перегонке спирта-сырца b фенилэтанол переходит, в основном, в средний и хвостовой погоны.

Изучая динамику количественных изменений спиртов С3-С5 и их изомеров в процессе получения коньячных спиртов, Гаджиев, Нефедов и Корляков установили, что абсолютные концентрации указанных гомологов высших спиртов закономерно снижаются и носят прямолинейный характер до 2 % отбора головной фракции. Затем концентрация гомологов С3 и С4 в дистилляте относительно увеличивается, а С5 - уменьшается.

Нефедов и Шуваева показали, что при последовательном увеличении отбора головной фракции происходит закономерное снижение в коньячном спирте абсолютных концентраций гомологов высших спиртов без изменения их соотношений вплоть до отбора 5 % головной фракции. Некоторое смягчение вкуса свежеперегнанных коньячных спиртов при увеличении отбора головной фракции, по их мнению, происходит за счет снижения абсолютных концентраций этих примесей.

Нефедов установил, что степень концентрации изопентанола в дистилляте находится в обратной зависимости от содержания его в виноматериале, а также зависит от величины отбора головного погона. При последовательном увеличении отбора головной фракции содержание изопентанола в коньячном спирте снижается.

По данным Малтабара и сотр., Хиабахова и Нечаева, отбор фракций значительно сильнее сказывается на содержании эфиров, альдегидов и ацеталей, чем на содержании высших спиртов. Они показали, что эфиры жирных кислот больше переходят в головную фракцию, чем высшие спирты, и считают, что соотношение между отдельными примесями коньячного спирта зависит как от количества отбираемой головной фракции, так и от момента перехода к отбору хвостового погона. Чем меньше отбирается головной фракции и чем раньше начинается отбор хвостовой фракции, тем богаче будет коньячный спирт энантовыми эфирами.

Малтабаром и сотр. установлено, что в получаемой на аппаратах периодического действия хвостовой фракции также содержится много ценных для сложения аромата и вкуса коньяков примесей. В хвостовой фракции содержится значительное количество высококипящих спиртов от С3 до С10 и b-фенилэтилового спирта.

Сачаво, Налимова и Позднякова установили, что части дистиллята, отбираемые через одинаковые интервалы снижения спиртуозности, имеют неодинаковые объемы. При этом 60-85 % содержащихся в коньячном спирте альдегидов, эфиров, высших спиртов, летучих кислот и фурфурола поступает с частями дистиллята с объемной долей спирта до 70 %. Начальные части основного погона содержат большое количество отдельных компонентов энантового эфира и высших спиртов за исключением b-фенилэтанола.

Учитывая особенности динамики перехода в дистиллят различных примесей при получении коньячных спиртов на двусгоночных установках периодического действия, производят отбор головных и хвостовых погонов. Целью фракционной перегонки является снижение содержания в коньячном спирте нежелательных примесей и накопления примесей, оказывающих благоприятное действие на вкус и аромат коньяка, а также обеспечения кондиционности коньячного спирта по содержанию этилового спирта.

Полученные при перегонке спирта-сырца головные и хвостовые фракции используют, в основном, по одной из следующих схем:

-  головную фракцию направляют на ректификацию, а хвостовую возвращают в перегоняемый виноматериал или спирт-сырец и после 5-кратного возврата ее выделяют и также направляют на ректификацию;

-  смесь головных и хвостовых фракций перегоняют повторно, получая при этом коньячный спирт второго сорта, а также вновь выделяемые головные и хвостовые фракции, которые направляют на ректификацию.

Однако такие схемы получения коньячного спирта на аппаратах периодического действия нельзя признать рациональными.

При направлении головных погонов на ректификацию уменьшается не только выход коньячного спирта, но и теряются такие ценные для сложения аромата и вкуса коньяков примеси, как энантовые эфиры, высококипящие спирты и др.

По данным Кишковского, некоторые французские мастера добавляют головные погоны к перегоняемому спирту-сырцу и получают коньячные спирты высокого качества.

Сирбиладзе показал, что при перегонке одной только головной фракции можно получить коньячные спирты, характеризующиеся высокими органолептическими показателями.

Фертман отмечает, что наиболее сильное улучшение органолептических свойств при выдержке наблюдается у спиртов, полученных перегонкой только головных погонов.

Таким образом, на сегодняшний день довольно полно изучен процесс простой перегонки водно-спиртовых смесей и поведение при этом основных примесей, входящих в состав коньячного спирта. Однако схемы перегонки виноматериалов на коньячный спирт требуют дальнейшего совершенствования, в первую очередь, с точки зрения удельного энергопотребления на различных стадиях проведения процесса перегонки, что позволит создать более оптимальные схемы, способствующие снижению себестоимости коечного продукта. Кроме этого, в отходах коньячного производства, прежде всего в головной фракции, содержится значительное количество спирта и ценных для коньяка соединений, поэтому необходимы исследования, позволяющие создать технологии, более рационально использующие отходы коньячного производства для получения высококачественного продукта.

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить