Получение коньячных спиртов

В основе получения коньячных спиртов лежит перегонка. Перегонка является процессом разделения смесей, состоящих из летучих компонентов, путем их превращения в пары с после­дующей конденсацией. Такое разделение возможно лишь при условии, если летучесть входящих в смесь компонентов неоди­накова.

Особенности перегонки при получении коньячного спирта. В отличие от ликерно-водочного производства спирты для по­лучения коньяков подвергают при перегонке лишь частичной очистке от летучих веществ вина. По классической (шарантской) технологии перегонку вина ведут в два приема. Вначале в простом кубовом аппарате отгоняют из вина этиловый спирт и основную массу летучих веществ. Полученный отгон (спирт-сырец) подвергают затем фракционной перегонке с отбором головной, средней (коньячный спирт) и хвостовой фракций. В обоих случаях имеет место простая перегонка, поскольку кон­денсация паров, образующихся над поверхностью кипящей жид­кости, происходит в холодильнике-конденсаторе без их даль­нейшего укрепления. Осуществляя последовательно несколько

простых перегонок, можно получить дистиллят более высокой крепости.

При перегонке спирта-сырца наибольшая спиртуозность по­лучаемого дистиллята (85 % об.) достигается в начальный пе­риод перегонки. Эту фракцию — головную — отбирают в коли­честве 1—3 % в пересчете на безводный спирт, содержащийся в спирте-сырце. Коньячным спиртом является средняя фракция крепостью 62—70 % об. Она составляет 85—92 % количества безводного спирта. До 10 % спирта в пересчете на безводный приходится на долю хвостовой фракции. Ее отбирают при кре­пости 15—25 % об.

Такой отбор фракций сложился эмпирически. Он обеспечи­вает определенное качественное и количественное соотношение летучих веществ в дистилляте и кубовом остатке (табл. 17). Так, в головную фракцию дистиллята переходят вещества, лету­честь которых выше, чем этилового спирта (например, альде­гиды— уксусный, масляный; эфиры — уксуснометиловый и уксусноэтиловый; спирты — н-пропиловый, изобутиловый, изо-амиловый). Их называют головными примесями. Поскольку отбираются небольшие количества головной фракции, то основ­ная масса головных примесей поступает в среднюю фракцию. В ней же накапливаются основные количества летучих веществ, имеющих такую же или близкую с этиловым спиртом летучесть. В их число входят метиловый спирт, до 12—20 % летучих кис­лот, этиловые эфиры молочной, капроновой, каприловой, капри-новой и других кислот. Эти вещества относят к промежуточным примесям.

В состав примесей хвостовой фракции (хвостовых примесей) входит основная масса летучих кислот, а также часть высоко-кипящих эфиров, альдегидов, спиртов. Эти соединения обла­дают более низкой, чем этиловый спирт, летучестью.

Летучесть примесей по сравнению с летучестью этилового спирта характеризуется коэффициентом ректификации примеси К_р.п.: К_р.п. = К_и.п./К_и= (ах)/(βу), где К_и.п. и К_и — коэффициенты

испарения соответственно примеси и этилового спирта; х и у — содержание этилового спирта соответственно в жидкой и паро­вой фазе, % об.; аир — содержание примеси соответственно в жидкой и паровой фазе, %. Коэффициенты испарения харак­теризуют летучесть отдельных веществ смеси и представляют собой отношение концентрации данного вещества в паровой фазе к концентрации его в жидкой фазе при условии, что рас­сматриваемые фазы находятся в равновесном состоянии. Экспе­риментально их определяют на специальном дистилляционном аппарате циркуляционного типа, в котором обеспечивается рав­новесное состояние между кипящей жидкостью и конденсирую­щимся паром. Для бинарной смеси этиловый спирт — вода кон­центрация спирта в парах по его содержанию в жидкости при перегонке на аппаратах, работающих при атмосферном давле­нии, может быть определена по графику (рис. 71).

Абсолютные величины коэффициентов испарения К_и этило­вого спирта зависят от способа выражения его концентрации,

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 (К_р.п.>1), промежуточный (К_р.п.=1) и хвостовой (К_р.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.

(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. а 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.

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 виноматериалов, содержания в них дрожжевого осадка количества новообразующихся 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 прохождения окислительно-восстановительных процес­сов, в которые вовлекаются многие соединения вина.Так, окисление спиртов, и прежде всего этилового, приводит к образованию альдегидов — уксусного, изобутилового, изоами-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.

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

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 многокомпонентной 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, лауриновой кислотами.

Принципиальные схемы коньячных перегонных установок.

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, ис­пользуемых 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 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 К_н примесей в связи с практически неизмененными при ус­тановившемся режиме работы аппарата условиями (спиртуозность 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 обеспечивают 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 спиртопродукта. 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 %.

Наряду с оценкой результатов перегонки по качественным показателям аналитический метод обеспечивает быструю оценку конструкций коньячных перегонных установок по эксплуатационным и другим технологическим по­казателям.

Коньячные дистилляционные установки периодического дей­ствия. В Советском Союзе для получения коньячного спирта на установках периодического действия наиболее часто применя­ются установки двойной сгонки шарантского типа УПКС и ус­тановки однократной сгонки ПУ-500. Первые установки обычно используют при изготовлении марочных коньяков.

Установка двойной сгонки УПКС (рис. 73) вклю­чает перегонный куб 1 с шаровым дефлегматором 2, подогре­ватель 3, холодильник 4, спиртовой фонарь 5 и два сборника 6. Она оснащена также предохранительным клапаном, воздушни­ком и конденсационным горшком. Установка изготовляется из меди, полный объем куба в ней составляет 65 и 85 дал. На дне куба закреплен плоскоспиральный змеевик. Наличие дефлег­матора позволяет осуществлять дополнительное укрепление спиртовых паров, поднимающихся из куба, за счет их частич­ной конденсации и возврата в куб в количестве 1—1,2 л/ч.

Подогреватель служит для предварительного нагрева виноматериала или спирта-сырца до 60—80 °С. Его вместимость равна вместимости перегонного куба. Нагрев вина в подогре­вателе проводят спиртовыми парами, подаваемыми с помощью трехходового крана за 2—3 ч до окончания сгонки в змеевик подогревателя. Сконденсированные в нем пары направляются в конденсатор-холодильник 4, который служит для конденсации и охлаждения основной массы паров, образующихся при пере­гонке. Конденсатор-холодильник представляет собой трубчатый змеевик, спирали которого укладываются с уклоном в сторону стока сконденсированной жидкости. Охлаждающая вода темпе­ратурой 10—15°С подается в нижнюю часть кожуха конденса­тора-холодильника и выходит из верхней его части с темпера­турой 40—50 °С.

В спиртовой фонарь 5 дистиллят поступает температурой 17°С. Крепость дистиллята устанавливается визуально по по­казаниям стеклянного ареометра. Истечение дистиллята в фо­наре и его поступление в спиртоприемники 6 должно происхо­дить с постоянной скоростью без толчков и выбросов.

Спиртоприемники служат для сбора спирта-сырца, а также продуктов его перегонки — головной, средней и хвостовой фрак­ций. Рабочий объем спиртоприемника 85 дал.

Перегонка виноматериала продолжается 6—8 ч, а спирта-сырца—10—12 ч. Колебания во времени перегонки связаны с различной спиртуозностью жидкостей, загружаемых в куб. *В> свою очередь различная спиртуозность перегоняемого виноматериала (8—12 % об.) сказывается на выходе спирта-сырца и его крепости. Так, перегонка в кубе 80 дал виноматериалов, содержащих 8—12 % об. спирта, приводит к получению спирта-сырца в количестве от 24 до 32 дал при его крепости от 23 до 32 % об.

Перегонка виноматериалов обеспечивает переход.в дистил­лят наряду с этиловым спиртом основной массы летучих при­месей из вина — альдегидов, средних эфиров, высших спиртов, летучих кислот. Концентрации этих примесей могут иметь в ис­ходном вине заметные колебания (в мг/л): альдегиды—10—50; ^v средние эфиры — 50—180; высшие спирты — 80—400;' летучие кислоты — 350—1200. Колебания концентраций примесей в большей или меньшей степени прослеживаются и в спирте-сырце (в мг/л): альдегиды — 50—100; средние эфиры — 65— 240; высшие спирты—160—800; летучие кислоты—120—400. Последующая фракционная перегонка спирта-сырца удаляет из коньячного спирта избыточное количество некоторых лету­чих примесей с головной и хвостовой фракциями. В связи с различным содержанием этих примесей в сырце количество отбираемой головной фракции может колебаться от 1 до 3 % в зависимости от содержания безводного спирта в исходном спирте-сырце. Чем больше концентрация в нем легколетучих альдегидов, эфиров, высших спиртов, тем выше процент от­бора головной фракции. При условии загрузки в куб 80 дал спирта-сырца отбор головной фракции крепостью 72—83 % об. может меняться от 0,3 до 1 дал. Концентрации летучих при­месей в ней имеют следующие значения (в г/л): альдегиды — 0,2—0,8; средние эфиры — 0,8—4; высшие спирты — 1,6—4,5; летучие кислоты — 0,06—0,2.

К отбору средней фракции (коньячный спирт) приступают по окончании сгонки головной и продолжают до показаний спиртомера 45—50% об. Выход коньячного спирта в пересчете на безводный спирт составит 80—85%, что при крепости дис­тиллята 62—70 % об. будет соответствовать 24—31 дал. В со­ответствии с колебаниями концентраций летучих примесей в ви-номатериале и спирте-сырце, а также различий в количествах отбираемых фракций при перегонке спирта-сырца будет ме­няться количественный состав летучих примесей коньячного спирта (в г/л): альдегиды — 0,02—0,4; средние эфиры — 0,35— 1,8; высшие спирты — 0,5—1,8; летучие кислоты — 0,2—0,3.

Учитывая баланс распределения безводного этилового спирта в головной и средней фракциях, а также потери в результате двух сгонок в количестве 3%, на долю хвостовой фракции его будет приходиться до 15%. Отбор хвостовой фракции при пе­регонке ведут до нулевого показания спиртомера в фонаре. При крепости хвостовой фракции 20—28 % об. ее количество соста­вит 10—16 дал. С этой фракцией может отбираться (в мг/л): альдегидов 3,5—10, средних эфиров 150—500, высших спиртов 150—350, летучих кислот 300—600.

Отбором хвостовой фракции обеспечивается стандартная крепость коньячного спирта, поскольку получение фракций кре­постью ниже 45 % об. привело бы к его разбавлению. Такой отбор позволяет также регулировать поступление в коньячный спирт примесей хвостового характера, излишнее количество которых (например, летучих кислот) может ухудшить его ка­чество. С другой стороны, конец сгонки средней, а также отбор хвостовой фракций сопряжены с переходом в дистиллят высо-кокипящих летучих веществ, улучшающих качественные пока­затели коньячного спирта. Такими веществами являются фе-нилуксусный альдегид, р-фенилэтиловый спирт, компоненты энантового эфира и др. Поэтому рекомендуется хвостовую фракцию добавлять к перегоняемому виноматериалу или спирту-сырцу. После пятикратного возврата в производство на шестой раз ее отбирают и направляют на ректификацию.

Ценные свойства некоторых примесей хвостового характера могут быть использованы и иным путем. Так, в практике изве­стен прием, когда в конце перегонки спирта-сырца отбирают фракцию дистиллята в интервале крепости 50—20 % об. (ее

крепость в среднем 25—30 % об.). Эта фракция носит название «душистые воды». Душистые воды обладают приятным арома­том и после выдержки в дубовых бочках используются иногда' в купажах ординарных коньяков.

Для увеличения выхода коньячного спирта на практике ис­пользуют также перегонку смеси головной и хвостовой фрак­ций. Получаемые от такой перегонки головную и хвостовую фракции направляют на ректификацию. Разрешается к смеси головной и хвостовой фракций добавлять перед ее фракцион­ной перегонкой 3—4 % дрожжей и 8—10 % коньячных виноматериалов. Коньячные спирты, получаемые по указанной схеме, используют для производства ординарных коньяков.

Добавка головной и особенно хвостовой фракций к перего­няемому виноматериалу или спирту-сырцу позволяет увеличить выход в пересчете на безводный спирт коньячного спирта до 90,5—92,5%. Улучшаются также удельные эксплуатационные показатели, связанные с расходом пара и воды на 1 дал в пере­счете на безводный коньячный спирт.

Полученная после перегонки виноматериала жидкость (бар­да) утилизируется с целью извлечения из нее виннокислых сое­динений. Отработавшая после перегонки спирта-сырца жидкость утилизации не подлежит. Количество спирта в барде и отрабо­тавшей жидкости не должно превышать 0,1 % об.

Установка однократной сгонки обеспечивает полу­чение коньячного, а также плодовых спиртов непосредственно из виноматериалов, минуя стадию приготовления спирта-сырца. На отечественных заводах наибольшее распространение полу­чили аппараты однократной сгонки с укрепляющими колонками (рис. 74). Укрепление спиртовых паров до кондиций головной, средней (коньячный спирт) и хвостовой фракций достигается с помощью укрепляющей колонки 5. Процесс укрепления спир­товых паров происходит при их непрерывном контакте со стека­ющим по тарелкам колонки из дефлегматора 8 дистиллятом (флегмой). Пар, контактируя с флегмой на тарелке, конденси­руется. За счет теплоты его конденсации выделяется вторичный пар с большим содержанием нижекипящего компонента (этило­вого спирта), чем пар, поступающий с нижележащей тарелки. Аналогичные процессы массообмена происходят на всех тарел­ках. Их количество можно определить графическим путем по диаграмме зависимости крепости жидкой и паровой фаз (см. рис. 71). Поскольку дефлегматор равноценен одной теоретиче­ской тарелке (т. т.), для достижения требуемых кондиций спирта во фракциях дополнительно необходимо в укрепляющей колонке иметь 1,5—2 т. т.* Образующиеся в дефлегматоре спиртовые пары поступают в холодильник-конденсатор 16, где конденсируются и охлаждаются до температуры 17°С. Дис­тиллят через спиртовой фонарь поступает в сборники.

При перегонке загрузку куба 3 (полезной вместимостью 500 дал) проводят через виноподогреватель, в который предвари­тельно задают 450 дал виноматериала и 50 дал хвостовой фрак­ции. Контроль за перегонкой осуществляют по манометриче­ским термометрам 9, вакуум-прерывателю 12, спиртовому фо­нарю 17 и ротаметру //, фиксирующему величину возврата флегмы в аппарат. Обычно количество возвращаемой флегмы поддерживается на уровне 250—300 л/ч путем регулирования подачи охлаждающей воды на дефлегматор. При увеличении подачи воды на охлаждение дефлегматоров возрастает и коли­чество флегмы, возвращаемой в аппарат. В этом случае кре­пость средней фракции может быть выше 70 % об. Повышенная крепость на тарелках укрепляющей колонны (дефлегмационных тарелках) приводит к снижению концентрации в коньячном спирте высококипящих эфиров, альдегидов, высших спиртов, а следовательно, к снижению его качества. При таком режиме перегонки возрастает расход греющего пара на испарение из­бытка флегмы. Интенсификация процесса нагрева виноматери­ала в кубе может вызвать бурное вскипание жидкости и ее пе­реброс в дистиллят. Чтобы избежать этого, давление в вакуум-прерывателе должно поддерживаться на уровне 350—550 мм вод. ст. (3,4—5,4 кПа).

Общая продолжительность фракционной перегонки состав­ляет 12 ч. Головную фракцию отбирают в количестве 0,8—1,2 % в пересчете на безводный спирт, загружаемый в куб с винома-териалом. Ее крепость составляет 80—87 % об. Продолжитель­ность отбора головной фракции при скорости 0,2—0,3 л/мин составляет 20—30 мин.

На отбор средней фракции переходят при крепости дистил­лята 73—75 % об. Средняя фракция (коньячный спирт) отби­рается в течение 4—5 ч при флегмовом числе 1—1,3 и давле­нии в вакуум-прерывателе 300—350 мм вод. ст. (2,9—3,4 кПа). Ее количество в зависимости от крепости исходного виноматериала (8—12 % об.) может составлять от 45 до 65 дал. Кон­центрация спирта в дистилляте колеблется от 62 до 71 % об. При показаниях крепости дистиллята в спиртовом фонаре 40—45 % об. приступают к отбору хвостовой фракции. Ее отбор ведут форсированно в течение 4—5 ч при флегмовом числе 3— 4 и давлении в вакуум-прерывателе 500—550 мм вод. ст. (4,9— 5,4 кПа). Для аппаратов с полезной вместимостью 500 дал ко­личество хвостовой фракции при крепости 17—25 % об. может колебаться от 30 до 36 дал. Перегонку прекращают при пока­зании спиртомера 1—2 % об. Считается, что отгонка спирта до нулевой крепости дистиллята нецелесообразна, поскольку со­пряжена с избыточными затратами пара и воды на перегонку и возрастанием ее продолжительности.

Хвостовую фракцию добавляют к перегоняемому виноматериалу не более 6 раз. Полученную от последней перегонки хво­стовую фракцию смешивают с головными фракциями и направ­ляют на ректификацию.

Оставшаяся после перегонки барда с содержанием спирта не более 0,1 % об. утилизируется.

По сравнению с установкой УПКС на аппаратах однократ­ной сгонки потери безводного спирта с головной фракцией, а также потери при перегонке снижены соответственно в 1,6 и 2 раза, что позволило увеличить выход коньячного спирта в пере­счете на безводный до 92,8—94,2%. Вместе с тем дополнитель­ные затраты греющего пара и охлаждающей воды на испарение и конденсацию флегмы оставляют эксплуатационные показа­тели перегонки на уровне аналогичных показателей аппаратов УПКС. Величина флегмового числа за весь цикл сгонки в зави­симости от крепости виноматериала может меняться от 1,5 до 4. Дистилляционные установки непрерывного действия. В конь­ячном производстве используют два типа дистилляционных ус­тановок непрерывного действия — установки, вырабатывающие коньячный спирт из виноматериалов, минуя стадию образова­ния промежуточных спиртопродуктов (спирта-сырца, эпюрата и др.), и установки, в которых предусмотрены получение и по­следующая дистилляция промежуточных спиртопродуктов. Ус­тановки первого типа широко используются в СССР и за рубе-

жом. Они просты по конструкции и в обслуживании, надежны в работе. Как правило, их выполняют в одно- или двухколонном варианте. В одноколонных установках укрепляющая и истоща­ющая части связаны единым паровым потоком.

Дистилляционная установка К-5 (рис. 75) разра­ботана болгарскими специалистами. Аппарат состоит из ко­лонны истощения 2 с 13 одноколпачковыми тарелками, двух дефлегматоров 3, 4, конденсатора 5, холодильника 7, теплооб­менника 9, бардорегулятора 10 и спиртового фонаря 8.

Укрепление спиртовых паров, поступающих из колонны, до кондиций коньячного спирта осуществляется с помощью двух последовательно соединенных кожухотрубных теплообменников (дефлегматоров). Несконденсированные в дефлегматорах спир­товые пары окончательно конденсируются в конденсаторе и возвращаются в колонну истощения. Отбор дистиллята с кон­дициями коньячного спирта ведется из второго дефлегма­тора.

Обогрев греющим паром нижней части колонны осуществля­ется через барботер. Теплота конденсации пара обепечивает при наличии 13 тарелок достаточно полное удаление из виноматери-ала этилового спирта и летучих примесей. Стекающий с верхней тарелки кипящий виноматериал находится в постоянном противоточном контакте с паром. Благодаря такому контакту пере­текающий с тарелки на тарелку виноматериал освобождается от летучих примесей и спирта. Вытекающая из нижней части колонны барда содержит не более 0,1 % об. спирта.

Виноматериал из напорного бака 6 непрерывным потоком со скоростью 120—150 дал/ч проходит кожухотрубный тепло­обменник, где нагревается до 65—70 °С за счет тепла отходя­щей барды, в кубовую часть установки и по коммуникации 1 поступает на верхнюю тарелку колонны истощения. Образую­щиеся при кипячении виноматериалов пары этилового спирта и летучих примесей непрерывно поступают в дефлегматоры и конденсатор, где укрепляются до кондиций коньячного спирта (62—70 % об.) и, конденсируясь, через холодильник и спирто­вой фонарь отбираются в виде жидкости в спиртоприемник. Требуемая крепость дистиллята обеспечивается регулированием подачи охлаждающей воды на дефлегматоры. Температура воды на выходе из первого дефлегматора должна поддержи­ваться на уровне 80—90 °С, второго — 50—65 °С. При этом флегмовое число изменяется от 0,6 до 2. Отсутствие в уста­новке К-5 отбора головных и хвостовых фракций, а также срав­нительно небольшие (до 1,5 %) потери обеспечивают выход дис­тиллята с кондициями коньячного спирта до 98—98,5 % в пе­ресчете на безводный спирт.

Дистилляционная установка К-5м (рис. 76) яв­ляется двухколонным аппаратом. Первая колонна эпюрационная, вторая — выварная. Виноматериал, подогреваемый в тепло­обменнике 19 до 65—70 °С за счет тепла отходящей барды, не­прерывно подается в эпюрационную колонну 6, где из него удаляются головные примеси (их Ки и /С_Р больше 1). Эпюрированный виноматериал крепостью 85—90 % об. поступает в вы­варную колонну, состоящую из двух частей — концентрацион­ной и истощающей. Колонна снабжена 22 одноколпачковыми тарелками. Истощающая часть представляет собой куб, вмести­мость которого обеспечивает 2—3-часовую задержку барды в кипящем состоянии, что улучшает прохождение процессов новообразования летучих примесей. В концентрационной части выварной колонны происходит концентрирование летучих при­месей. Процесс осуществляется на 2—3 тарелках укрепления, в дефлегматоре и конденсаторе. Головная фракция в количестве 0,5—2 % в пересчете на безводный спирт отбирается непрерывно пли периодически при крепости 85—90 % об. Флегмовое число при этом достигает 34, т. е. почти вся масса сконденси­рованных паров возвращается в колонну. Перегонка эпюрированного вина осуществляется так же, как на установке К-5. Часовой расход виноматериала, поступающего в аппарат, со­ставляет 160—180 дал. Спиртовые пары, укрепляясь в дефлег­маторах 10, 11 до кондиций коньячного спирта, после конден­сации и охлаждения отбираются через спиртовой фонарь 16 в сборник дистиллята. Температура выходящей воды в первом дефлегматоре поддерживается на уровне 80—90 °С, во втором — 50—65 °С. Вытекающая из куба 1 барда направляется на ути­лизацию.

Дистилляционные коньячные установки с по­лучением и последующей дистилляцией проме­жуточных крепких спиртопродуктов более сложны по конструкции и выполняются, как правило, в двух- или трех­колонном варианте. Они более перспективны для воспроизвеле ния в потоке классического (шарантского) способа перегонки виноматериалов на коньячный спирт, так как позволяют до­стичь максимального выделения в дистиллят летучих веществ вне зависимости от крепости виноматериала на тарелке пита­ния и обеспечить фракционирование неочищенного дистиллята от примесей головного характера.

В установке (рис. 77), разработанной МТИППом, виноматериал подвергается дистилляции в колонне 4 с последующей энюрацией водно-спиртовых паров в эпюрационной колонне 7 и окончательной дистилляцией эпюрата в специальной колонне 18. Виноматериал перед поступлением в отгонную колонну, со­стоящую из выварной и истощающей частей, проходит последо­вательно охладитель перегретого вина, куб колонны и перегре­ватель. В охладителе встречаются два потока виноматериала: перегретый из перегревателя и холодный из напорного бака. Отдав часть тепла холодному виноматериалу, виноматериал из перегревателя при температуре 80—85 °С поступает в вывар­ную часть дистилляционной колонны. В этой части колонны из виноматериала удаляется основная (до 90 %) часть этилового спирта и летучих примесей в виде водно-спиртовых паров. Эти пары поступают в эпюрационную колонну, которая обогревается водно-спиртовыми парами из истощающей части отгонной ко­лонны. В результате контакта конденсата спиртовых паров из дефлегматора 9 с парами из истощающей части отгонной колонны происходит образование спиртовых паров, которые в количестве 1—3 % (в пересчете на безводный спирт) отбира­ются из холодильника //. Эта фракция (головная) имеет кре­пость 75—80 % об.

Эпюрат, обогащенный высококипящими примесями, направ­ляется из выварной части эпюрационной колонны в колонну дистилляции эпюрата, где производится отбор основного (через дефлегматор 9, конденсатор 10, холодильник 11) и промежуточ­ных (через конденсаторы-холодильники 12) продуктов различ­ной спиртуозности. Смешивание спиртовых продуктов, отобран­ных из различных точек колонны дистилляции эпюрата, способ­ствует обогащению коньячного спирта летучими примесями, имеющими различные коэффициенты испарения, не ограничен­ные крепостью эпюрата.

Хвостовая фракция при средней крепости 20 % об. отби­рается с нижних тарелок колонны.

Технологическая характеристика дистилляционных конь­ячных установок. Коньячный спирт наилучшего качества полу­чается на установках шарантского типа (УПКС), которые обес­печивают переход в коньячный спирт при дистилляции виноматериалов оптимальных количеств летучих соединений вина, а также вновь образующихся веществ. Вместе с тем периодич­ность работы, а также высокие эксплуатационные показатели значительно снижают эффективность их использования.

Установки однократной сгонки (ПУ-500) более производи­тельны. Однако их удельные эксплуатационные показатели практически такие же, как у установок шарантского типа. В той и другой установках количества безводного спирта, от­бираемого с головной, средней и хвостовой фракциями близки, однако условия обогащения в них средней фракции образующи­мися при дистилляции летучими продуктами неидентичны. Дей­ствительно, при перегонке виноматериала на установке УПКС новообразующиеся летучие соединения накапливаются в основ­ном в спирте-сырце. Последующая фракционная его перегонка приводит к упорядоченному распределению этих веществ по фракциям. В установках однократной сгонки процессы ново­образования летучих соединений также проходят на всем про­тяжении фракционной перегонки виноматериалов. Однако в от­личие от установок шарантского типа в них при отборе конь­ячного спирта в дистиллят попадают летучие вещества, подлежащие удалению с головной фракцией.

Дистилляционные установки непрерывного действия более экономичны. Однако лишь немногие из них отвечают в полной мере требованиям коньячного производства. Наибольшие откло­нения режимов перегонки от классического (шарантского) спо­соба наблюдаются в одноколонных аппаратах, исключающих получение промежуточных спиртопродуктов (спирта-сырца и др.). Так, в установке К-5 отсутствие фракционирования конь­ячного спирта от головных и хвостовых примесей не позволяет получить продукт высокого качества. Эта установка не обес­печивает также условия перехода летучих веществ в дистиллят в зоне его отбора, аналогичные классическому способу. Эти ус­ловия, как уже отмечалось, должны предусматривать обогаще­ние дистиллята примесями, обладающими различной степенью летучести по мере снижения спиртуозности дистиллируемого спирта-сырца. В установке К-5 отбор дистиллята проводится в одной точке. В установке не обеспечиваются процессы ново­образования летучих веществ, поскольку время пребывания виноматериала в кипящем состоянии не превышает 0,3 ч. В установке УПКС процесс дистилляции вина длится 8 ч.

В установке К-5м (модернизированный вариант К-5) расход пара несколько выше, однако качество получаемого коньячного спирта заметно лучше. Вместе с тем на К-5м, как и на других установках подобных систем, в точке отбора коньячного спирта создаются ограниченные условия для обогащения дистиллята летучими веществами. Отсутствие фракционирования коньяч­ного спирта от хвостовых примесей также сказывается на каче­стве продукции.

В установке МТИППа, представляющей второй тип коньяч­ных дистилляционных установок, удельные эксплуатационные показатели находятся на уровне установки К-5м. Вместе с тем эта установка благодаря наличию промежуточных зон отбора

основной фракции обеспечивает в непрерывном потоке направ­ленное регулирование химического состава коньячных спиртов. Универсальные свойства установки не ограничиваются только возможностью получения коньячных спиртов. Она может быть применена также для получения плодовых спиртов, спирта-сырца из дрожжевых осадков и сброженных выжимочных эк­страктов. Для изготовления такой установки используются стан­дартные узлы и детали дистилляционных аппаратов пищевой и химической промышленности.