Лекция 5. Оборудование для переработки вторичных продуктов виноделия (4 часа)

ЛЕКЦИЯ 5. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПЕРЕРАБОТКИ

ВТОРИЧНЫХ ПРОДУКТОВ ВИНОДЕЛИЯ (4 часа)

1. Понятие о переработке вторичных продуктов.

2. Экстракторы для выжимок.

3. Оборудование для получения спирта.

4. Оборудование для получения виннокислых соединений.

5. Оборудование для получения кормовой муки.

6. Оборудование для переработки семян и гребней.

1. Понятие о переработке вторичных продуктов

К вторичным продуктам виноделия (они составляют до 20% коли­чества перерабатываемого винограда) относятся продукты, которые ос­таются от винограда или плодово-ягодного сырья при переработке их на вино или безалкогольную продукцию (гребни, выжимки), образуются в процессе такой переработки (осадки дрожжевые, клеевые, винного камня и др.) или при получении из вина спирта, крепких напитков (барда). Из вторичного сырья получают следующие продукты: этиловый спирт, виннокаменную кислоту и ее соли, виноградное масло, энокрасители, корма для животных, удобрения. При более полном использовании вторичного сырья из него можно получить ферментные и витаминные препараты, танин, аминокислоты, кормовые дрожжи и другие продукты.

В настоящее время разработаны различные схемы комплексного использова­ния вторичных продуктов виноделия, однако в производствен­ных условиях они реализованы лишь частично. Разработаны также и упрощенные схемы, частично воплощенные в линиях ВЛУ-6 произво­дительностью 6 т/ч и ВПЭ производительностью 12 т/ч (по выжимкам).

На линии ВПЭ (см. рис. 2, 5) в процессе экстрагирования (контактирования выжимки с горячей водой) происходит переход сахара и виннокислых соединений (ВКС) в промывную воду. Обедненная вы­жимка после экстрагирования отжимается прессом и транспортируется на дальнейшую переработку. Отпрессованная жидкость перекачивается в экстрактор на повторное контактирование. Полученный диффузионный сок заданной концентрации по сахару и ВКС перекачивается в промежу­точную емкость установки для получения суспензии тартрата кальция или в отделение сбраживания и перегонки сока. Барда после отгонки спирта возвращается в эту промежуточную емкость. Смешивание диф­фузионного сока или барды с суспензией реагентов производится в реак­торе-смесителе, а получение суспензии тартрата кальция - в реакторах-кристаллизаторах установки.

Соотношение объемов диффузионного сока и суспензии реагентов регулируется по величине рН реактивной смеси.

Полученная суспензия тартрата кальция разделяется центрифугами на осадок и фугат. Осадок поступает в сушилку, а собранный фугат из приемника откачивается в бродильный цех или удаляется в канализа­цию. Высушенный осадок затаривается в мешки и транспортируется на склад готовой продукции.

К специфическому оборудованию линий переработки вторичных продуктов виноделия могут быть отнесены: экстракторы для выжимок; оборудование для получения спирта; оборудование для получения вин­нокислых соединений; оборудование для получения кормовой муки.

2. Экстракторы для выжимок

Экстракторы, применяемые для извлечения сахара и виннокислых соединений из виноградных выжимок, по конструктивному исполнению могут быть ленточными, барабанными, шнековыми, шнеково-лопастными и лопастными. Наиболее известны шнековые и шнеково-лопастные.

Экстрактор ВЭА (рис. 1) относится к шнековым и состоит из шести секций - концевой, четырех промежуточных и головной. Принцип дейст­вия экстрактора заключается в многоступенчатом противоточном промы­вании виноградных выжимок горячей водой или раствором. В процессе промывания выжимок шнек перемещается по перфорированному желобу, расположенному над сборниками диффузионного сока. Ступенчатое промывание осуществляется путем рециркуляции сока при помощи насосов и оросителей, перекачивающих сок из сборников в желоб шнека, причем диффузионный сок отбирается из последующего сборника и через трехходовой кран насосом подается в желоб над предыдущим сборником. Свежая вода или исходный раствор насосом подаются в концевой сборник, а насыщенный диффузионный сок отбирается из головного.

Рис. 1. Экстрактор ВЭА (технологическая схема): 1 — бункер, 2 — вентиль; 3 — сборник сока; 4 — змеевик; 5, 10 — насосы; 6, 9 — краны; 7 — реле; 8 — стойка; 11 — нагреватель; 12 — термометр; 13 — ороситель; 14 — шнек; 15 — гидроциклон

Перетекание диффузионного сока из сборника в сборник достигается путем перепада уровней благодаря разной высоте перегородок между сборниками. Таким образом и обеспечивается противоточное многосту­пенчатое промывание.

Через смеситель, установленный на концевой секции экстрактора, все сборники сока заполняются водой. Путем пропускания пара через змеевики вода в сборниках сока нагревается до 65-85° С. После запол­нения сборников водой прекращают ее подачу и выключают привод шнека. Одновременно с этим начинают подачу сладкой выжимки в бун­кер. По мере продвижения выжимки по желобу шнека поочередно включают рециркуляционные насосы. Подачу выжимок без добавления свежей воды производят до насыщения диффузионного сока в головном сборнике сока до максимально возможной концентрации сахара и вин­нокислых соединений. Когда концентрация сахара в диффузионном со­ке в головном сборнике достигает нужной величины, включают подачу свежей воды и насос отбора диффузионного сока.

Часть отбираемого диффузионного сока насос подает в гидроци­клон, в котором отделяются примеси, а очищенный сок подается на дальнейшую обработку. Часть же сока возвращается в экстрактор на рециркуляцию.

Для введения экстрактора в рабочий режим поплавковым реле и краном регулируются количество и температура поступающей свежей воды, которая подогревается в нагревателе; термометром контроли­руются температура диффузионного сока в сборниках, интенсивность ре­циркуляции и количество отбираемого насыщенного диффузионного сока. Производительность экстрактора ВЭА - 6 т/ч (по выжимке), габа­ритные размеры 20700x2460x3070 мм, степень извлечения сахара 84%, виннокислых соединений 79,1 %.

Шнеково-лопастные экстракторы отличаются от шнековых тем, что для более интенсивного рыхления выжимок транспортирующие шне­ки снабжены лопастями. К шнеково-лопастным относится экстрактор ВПЭ/1 (рис. 2), входящий в установку ВПЭ.

Рис. 2. Экстрактор ВПЭ/1 (принципиальная схема): 1 — пресс; 2, 7 — сборники; 3, 6 — насосы; 4 — смеситель; 5 — экстрактор; 8 — емкость для реагентов; 9 — пульт управления; 10 — шкаф электроаппаратуры; 11 — преобразователь тока

Сладкая виноградная вы­жимка подается в бункерную зону экстрактора 5. Лопастной шнек пере­мещает выжимку навстречу стекающему вниз горячему экстрагенту, по­ступающему в выгружную зону экстрактора из пароводяного смесителя. В результате беспрерывного смешивания и разделения фаз осуществляет­ся противоточное контактирование выжимки и экстрагента. Выжимка по мере продвижения к выгружной зоне обедняется сахарами и солями вин­ной кислоты. Горячий экстрагент, стекающий вниз, обогащается извле­каемыми компонентами, содержание которых достигает максимума перед фильтрующей решеткой в торце бункерной зоны экстрактора. Готовый экстракт фильтруется через решетку, самотеком поступает в сборник 7, откуда центробежным насосом с автоматическим режимом управления направляется на сбраживание и отгонку этилового спирта. Сток экстракта регулируется задвижкой; фильтрующая решетка очищается специальны­ми эластичными скребками, закрепленными на лопастях вала.

В выгрузочной зоне экстрактора (от места ввода горячего экстрагента до перегружного лотка) происходят слабое подпрессовывание выжимки (за счет сил сопротивления транспортированию) и предварительная осуш­ка. Благодаря этому предотвращается значительный унос жидкости с вы­жимкой, направляемой на прессование. Промытая выжимка перегружает­ся в модифицированный шнековый пресс 1, отжимается в нем до влажно­сти исходной выжимки и передается на дальнейшую переработку.

Прессовая жидкость, представляющая собой экстракт с низким со­держанием извлекаемых компонентов, стекает в сборник 2, откуда порш­невым насосом с автоматическим режимом управления возвращается в головную часть экстрактора.

Для компенсации потерь теплоты и нагревания выжимки, посту­пающей на переработку, в нижнюю часть корпуса бункерной зоны экс­трактора подается острый пар. Умягчение воды, используемой в качест­ве экстрагента, производится раствором Na2CO3 или концентрирован­ной H2SO4 из емкости для реагентов 8.

Производительность экстрактора ВПЭ/1 - 12 т/ч, габаритные раз­меры 26360x4520x6800 мм, степень извлечения сахара 83%, виннокис­лых соединений - 71%.

3. Оборудование для получения спирта

Спирт-сырец получают как перегонкой бражки, образовавшейся при сбраживании диффузионного сока из экстракторов, так и непосред­ственно из перебродивших выжимок.

В первом случае используется чаще всего установка с одноколон­ным брагоперегонным аппаратом непрерывного действия (имеются и двухколонные аппараты).

В одноколонном аппарате (рис. 3, а) укрепляющая часть А находится непосредственно над истощающей ча­стью Б, образуя одну колонну. Колонна является основным элементом брагоперегонного аппарата. Она состоит из отдельных царг с тарелками и снабжена люками для осмотра и очистки. В бражной колонне браго­перегонного аппарата производительностью до 3000 дал спирта-сырца в сутки устанавливают колпачковые тарелки одинарной (I) или двойной (II) выварки (рис. 3, б). В аппаратах большой производительности та­кие тарелки неэффективны, поэтому применяют ситчатые тарелки. В спиртовой колонне устанавливают ситчатые многоколпачковые та­релки или тарелки одинарной и двойной выварки.

Рис. 3. Одноколонный брагоперегонный аппарат: а – схема (1 – насос; 2 – воздушный колпак; 3 – паровой регулятор; 4 – вакуум-прерыватель; 5 - дефлегматор; 6 – холодильник; 7 – водяной коллектор; 8 – фонарь; 9 - контрольный снаряд; 10 – сборник барды; 11 – пробный холодильник; 12 - бардорегулятор; 13 – манометр); б – тарелки (I – одинарной выварки; II – двойной выварки)

Работа аппарата во многом зависит от правильной конструкции и установки тарелок. Тарелки колпачкового типа должны быть установ­лены строго горизонтально. Ситчатые тарелки обычно устанавливают также горизонтально. Однако высказывается мнение, что при больших диаметрах аппаратов (более 1,2 м) ситчатым тарелкам следует прида­вать уклон в сторону течения жидкого потока, чтобы создать равную высоту жидкости на всей тарелке. Устройство тарелок любого типа должно решить основную задачу: обеспечить на тарелках колонны дос­таточно хороший контакт пара и жидкости. Для решения этой задачи необходимо, чтобы пар направлялся из-под коллачков и воротников тарелки равномерно в текущую по тарелке жидкость. Ширина слоя этой жидкости и толщина его должны быть такими, чтобы струи пара прони­зывали весь поток. Нормальное течение жидкости должно быть обеспе­чено правильно помаранными размерами сливных стаканов и правиль­ной их установкой на тарелках.

Высота подъема сливных стаканов над тарелкой h1 определяет вы­соту слоя жидкости на тарелках, а расстояние между нижним краем ста­кана и нижележащей тарелкой h2 обеспечивает нормальный слив из ста­кана. Высота h2 выбирается в пределах 20-35 мм, а h1 - 50-60 мм, что обеспечивает на тарелке слой жидкости толщиной 50-60 мм.

Одноколонные брагоперегонные аппараты выпускаются четырех типоразмеров - 0; 1; 2 и 3, отличающихся диаметром колонны. Произ­водительность их по спирту - соответственно 500, 800, 1200 дал/сут.

Для получения этилового спирта на винзаводах имеются и установ­ки периодического действия УПК-58-02, применяемые для проведения самостоятельных технологических операций: непрерывной перегонки бражки, в результате чего получается спирт крепостью 50-80% об., и периодической перегонки сброженных виноградных выжимок, в результате чего получается слабоградусный спирт крепостью 24% об.

Перегонная установка марки УПК-58-02 (рис. 4) состоит: из двух или трех перегонных кубов, снабженных водяными предохранителям давления; спиртовой колонны с пятнадцатью тарелками колпачкового типа одноразового кипячения, из которых девять тарелок служат для выварки бражки, а шесть верхних, снабженных водяным манометром в виде U-образной трубки и гидравлическим затвором для спуска лютерной воды (барды), - для укрепления спиртовых паров; горизонтального трубчатого дефлегматора с поверхностью охлаждения 8 м2; вертикаль­ного трубчатого конденсатора-холодильника с поверхностью охлажде­ния 5 м2; подогревателя бражки, по конструкции аналогичного конден­сатору-холодильнику, и смотрового фонаря со стеклянным колпаком.

Рис. 4. Перегонная установка УПК-58-02 (общий вид): 1 – перегонный куб; 2 – предохранитель; 3 – дефлегматор; 4 – колонна; 5 – конденсатор-холодильник; 6 – подогреватель; 7 – смотровой фонарь

Бражка насосом подается в напорный сборник, из которого через поплавковый регулятор уровня, обеспечивающий поддержание постоян­ства потока, и ротаметр, определяющий расход бражки, поступает в по­догреватель, а затем направляется на 2-ю тарелку спиртовой колонны, пускаясь по переливным стаканам с тарелки на тарелку вниз, бражка вываривается, а образующиеся при этом спиртовые пары укрепляются, поднимаясь по колонне, снизу вверх через шесть тарелок укрепляющей части колонны, и переходят в дефлегматор, где продолжают укрепляться, образующийся при этом в дефлегматоре конденсат-флегма возвращается колонну. Спускаясь по тарелкам вниз, флегма истощается и проходит в нижнюю часть колонны в виде лютерной воды (барды), откуда через гид­равлический затвор отводится на дальнейшую утилизацию.

Несконденсировавшаяся в дефлегматоре часть спиртовых паров поступает в конденсатор-холодильник, где конденсируется и охлаждается. Полученный спирт через смотровой фонарь отводится в мерник для спирта. Для нейтрализации остатка кислот, увлекаемых в верхнюю часть колонны, с целью получения нейтрального спирта из бака на верхнюю тарелку колонны подается 10 %-ный раствор щелочи.

Источником теплоты для поддержания процесса перегонки служит поступающий в нижнюю часть спиртовой колонны водяной пар. Необходимое количество пара подается автоматически регулятором давления, который настраивается по водяному манометру. Рекомендуемая величина давления в колонне по манометру - 10 кПа.

В процессе перегонки бражки перегонные кубы не участвуют и должны быть отключены. Холодная вода, поступающая из магистрали в конденсатор-холодильник для охлаждения, используется с той же целью в дефлегматоре, а затем для подогрева бражки в подогревателе. Для использования теплоты лютерной воды можно установить дополнительный подогреватель.

Для перегонки сброженных виноградных выжимок служат перегонные кубы, в которых поочередно вываривают виноградные выжимки. Выжимки загружаются через люк в верхней части куба, а выгружаются через нижнее откидное днище. Управление днищем производится с верхней рабочей площадки. Загруженные в куб выжимки подогреваются паром, который подается в куб через коллектор. Ситчатое ложное дно предохраняет массу от подгорания, а коллектор - от забивания отверстий. Образующиеся в кубе водно-спиртовые пары отводятся в спиртовую колонну в пространство над 9-й тарелкой. Процесс укрепления, дефлегмации конденсации паров спирта аналогичен процессу перегонки бражки.

Перегонка заканчивается после того, как в фонаре появится вода, не содержащая спирта. Подогреватель и напорный бак в этом процессе не участвуют.

Производительность установки УПК-58-02 при перегонке бражки с содержанием 2% об. абсолютного алкоголя 30 л/ч; крепость получаемого спирта при переработке бражки 50-80% об.

Установка УПК-58-02, несмотря на широкое распространение, не отвечает современному уровню техники.

4. Оборудование для получения виннокислых соединений

Получение и разделение суспензии тартрата кальция и его сушки может осуществляться соответственно в установках ВПЭ/2, ВПЭ/3 ВПЭ/4 (рис. 5), входящих в линию ВПЭ. Установка ВПЭ/2 монтируется на эстакаде и состоит из реактора-смесителя, стального эмалирован­ного сборника, двух аппаратов-нейтрализаторов с механическими пере­мешивающими устройствами, двух стальных эмалированных резервуа­ров для приготовления реагентов, электротали грузоподъемностью 0,5 т, насосов и нагревателя.

Рис. 5. Установки ВПЭ/2, ВПЭ/3, ВПЭ/4 (принципиальная технологическая схема): 1 - сборник; 2, 6, 14, 15 - насосы; 3 - электроталь; 4 - реактор-смеситель; 5 - реактор-нейтрализатор; 7 - напорная воронка; 8 - центрифуга; 9 - кон­вейер; 10 - циклон-разгрузитель; 11 - вентилятор; 12 - сушилка тартрата кальция; 13 - сборник фугата; 16 - резервуар; 17- бункер

Реактор-смеситель выполнен в виде трубы диаметром 75 мм, в ко­торую вмонтирован комплект (10 шт.) направляющих элементов; он служит для гомогенизации и реагирования виннокислого раствора с суспензией реагентов.

Аппарат-нейтрализатор представляет собой цельносварной резер­вуар с плоским днищем и крышкой для работы под налив, в котором завершаются процессы реагирования и кристаллизации тартрата каль­ция при перемешивании. В установке монтируются два аппарата, кото­рые, работая поочередно, обеспечивают непрерывное получение сус­пензии тартрата кальция.

Установка ВПЭ/3 также монтируется на эстакаде и включает на­порное устройство, две центрифуги, конвейер, направляющий осадок в сушилку ВПЭ/4, сборник фугата и насос.

Производительность обеих установок по суспензии 12 м3/ч, габарит­ные размеры соответственно 13600x4800x7300 и 5460x2460x4720 мм.

Сушилка ВПЭ/4 представляет собой устройство, состоящее из двух желобов с мешалками. По желобам перемещается виннокислая известь, при этом она высушивается за счет нагревания паром, подаваемым в обогревательные рубашки желобов. Производительность сушилок по высушенному продукту - 124 кг/ч. Похожая по принципу действия сушилка ВВИ имеет производительность по высушенному продукту 44 кг/ч.

5. Оборудование для получения кормовой муки

При переработке выжимки на кормовую муку ее сушат и дробят. Для сушки используют барабанные сушилки, наиболее простые по кон­струкции. В качестве сушильного агента в них используются воздух или топочные газы.

Основным элементом сушилки является барабан, вращающийся с частотой 1-8 об/мин. Диаметр барабана зависит от производительности сушилки и составляет 1200 мм и более.

Агрегат АВМ-0,4 (рис. 6) работает следующим образом. Жидкое топливо насосом подается в форсунку, откуда поступает в камеру гази­фикации. Сюда же вентилятором подается воздух в количестве, недос­таточном для полного сгорания впрыснутого топлива. Обогащенная смесь воспламеняется от электрической свечи, причем избыток топлива из жидкой фракции переходит в газообразную. Продукты газификации поступают в камеру дожигания и сгорают. Топочные газы, имеющие более высокую температуру, поступают в топку, где происходит окон­чательное сгорание. В смеси с воздухом, засасываемым вентилятором циклона, газы являются теплоносителем.

Рис. 6. Агрегат АВМ-0,4 (технологическая схема): 1 - вентилятор подачи продукта; 2, 9 - вентиляторы; 3, 19 - циклоны, 4 - барабан; 5 - регулятор толщины слоя массы; 6 - конвейер; 7 - камера газификации; 8 – форсунка; 10 - камера дожигания, 11 - топка; 12 - привод барабана; 13, 18 - дозаторы; 14 - сборник тяжелых частиц; 15 - мешки, 16 - мельница; 17 - шнек

Выжимка конвейером подается в барабан агрегата, состоящий из не­скольких цилиндров. Толщина слоя массы на конвейере устанавливается регулятором. В барабане масса постепенно высыхает, и сухие частицы потоком теплоносителя выносятся в циклон, отделяются от теплоносителя и через дозатор 13, минуя отборник тяжелых частиц, поступают в мельницу.

Измельченная в мельнице сухая масса через сменное решето вентилятором подается в циклон 19, где отделяется от воздуха, и, пройдя через дозатор 18, шнеком 17 распределяется в мешки.

Процесс сушки и размола продолжается несколько минут.

Основные недостатки АВМ-0,4 - сравнительно небольшая производительность (0,4 т/ч) и ручная подача продукта на сушку. Для более крупного производства выпускается модернизированный агрегат АВМ-1,5Р, средняя производительность которого составляет 1,5 т/ч сухого продукта.

Габарит­ные размеры агрегатов АВМ-0,4 и АВМ-1,5 соответственно 10000x7730x7600 и 25350x10430x11400 мм.

В целях сокращения потерь муки от распыления при затаривании и уменьшении количества мешковой тары муку целесообразно перерабатывать в гранулированный корм. Для этого может использоваться специальный гранулятор ОГМ-0,8, работающий спаренно с агрегатами АВМ.

6. Оборудование для переработки семян и гребней

Для отделения виноградных семян от влажных выжимок в некоторых случаях используют простые установки, основной частью которых является цилиндрическое решето, вращающееся вокруг оси, наклоненное под небольшим углом к горизонту. Выжимки в решето подаются скребковым или шнековым конвейером. При этом происходит одновременно некоторое разрыхление выжимки, что способствует лучшему отделению от нее семян. Существенными недостатками таких установок являются их низкая производительность, недостаточная полнота отделения и чистота семян.

Для указанных целей разработан отделитель виноградных семян ОВС-2 (рис. 7), состоящий из скребкового элеватора, рыхлителя, верхнего и нижнего решетных станов и вентилятора.

Решетные станы имеют по два решета, расположенных одно под другим, скатные доски и течки. В верхнем решетном стане верхнее решето имеет круглые отверстия диаметром 12 мм, а нижнее - 10 мм. В нижнем решетном стане верхнее решето имеет отверстия диаметром 8-6 мм, а нижнее - щелевидные отверстия размером 2,5x25 мм.

Работа машины заключается в следующем. Выжимки из прессов вдаются в приемный бункер элеватора, захватываются скребками и направляются в рыхлиКомки выжимок под действием ударов бичей, укрепленных на вертикальном валу рыхлителя, размельчаются и посту­пают на верхнее решето 8 верхнего решетного стана. Семена и мелкие частички выжимок, просеявшись сквозь решето, поступают на скатную доску 7, а с нее - на решето 6. После этого семена по скатной доске 4 для дальнейшей очистки поступают на решето 9 нижнего решетного стана, а с него - на решето 10. С небольшим содержанием частичек выжимок семена сходят с этого решета и продуваются потоком воздуха, подавае­мого вентилятором. После этого семена по скатной доске 12 выходят из машины. Пустые выжимки с решет верхнего и нижнего станов направ­ляются в течку 14 и удаляются за пределы машины.

Рис. 7. Машина ОВС-2 для отделения семян от выжимок (технологическая схема): I - рыхлитель; II - верхний и III - нижний решетные станы; IV - вентилятор; 1 - рыхлитель; 2, 3, 5, 10, 11, 14 - лотки; 4, 7, 13 - скатные доски; 6, 8, 9, 12 - решета

Производительность отделителя семян ОВС-2 - 2 т/ч; полнота от­деления семян 80%; чистота семян 85%.

Виноградные семена, выделенные из выжимок, высушенных в аг­регате АВМ-0,4, могут очищаться в очистителе семян ОС-4,5, предна­значенном для очистки и сортировки семян зерновых, зернобобовых, технических культур и семян трав.

Производительность очистителя семян ОС-4,5 - 4,5 т/ч.

Гребни перерабатывают после прессования с целью получения спирта и виннокислых соединений. Для этого их предварительно про­мывают в специальных устройствах.

Гребни могут быть использованы и как топливо, а зола - в качестве удобрения.