При математичному плануванні експерименту було встановлено, що для повного факторіального експерименту необхідна кількість перегонок складає 3024 шт.

Так як на практиці таку кількість перегонок провести важко, найбільш реальне одержання необхідних результатів шляхом моделювання процесу перегонки за допомогою рівнянь, запропонованих різними авторами. Найбільш прийнятні для наших умов виявилися формули фазової рівноваги і простої перегонки, запропоновані Фалькович Ю.Е. Труды ВНИИВиВ “Магарач”. -1957. -т. 5. -С. 43-53., що враховують дефлегмаційні властивості апарата.

Однак, слід зазначити, що названі формули розроблені для діапазону концентрацій етилового спирту в середовищі, що переганяється, вище 0,1 % об., що складає близько 1,47 % об. у парах. При цьому для проведення розрахунку необхідно вказувати деякий кінцевий вміст спирту в кубовому залишку, у той час як на практиці у момент завершення перегонки концентрація спирту в кубі дорівнює 0 % об. У зв'язку з цим, нашою початковою задачею була адаптація моделі для відповідності результатів, отриманих розрахунковим шляхом, результатам, отриманим при проведенні реальних перегонок.

Взаємозв'язок між продуктами перегонки виноматеріалу і спирту-сирцю. Для визначення співвідношення між початковими і кінцевими продуктами перегонки з метою адаптації математичної моделі, нами були проведені власні експериментальні перегонки на реальних середовищах (виноматеріал і спирт-сирець різної міцності) при показниках дистиляції, близьких до виробничих. Одержуваний у міру протікання перегонки дистилят розділявся на однакові по об'єму частини, у яких визначалася об'ємна частка етилового спирту й обчислювався зміст безводного спирту. Далі, умовно розділяючи отримані фракції на дві групи, моделювали різні способи перегонки - від повного переходу спирту в спирт-сирець до повного переходу спирту в кінцеву фракцію.

Мал. 1 Матеріальний баланс безводного спирту при перегонці виноматеріалу з об'ємною часткою спирту 10,2 % об. при різному фракціонуванні дистиляту.

Зазначений спосіб моделювання дозволив уникнути погрішностей, які могли виникнути при реальних багаторазових перегонках із різними режимами.

За результатами цих перегонок були побудовані графіки, що показують залежності між початковими і кінцевими продуктами перегонки. Приклади графіків, що показують взаємозв'язок між продуктами перегонки виноматеріалу з вмістом спирту 10,2 % об. і спирту-сирцю з об'ємною часткою спирту 29,8 % об. представлені на мал. 2 і 3, відповідно.

Мал. 2 Взаємозв'язок між продуктами перегонки виноматеріалу з вмістом етилового спирту 10,2 % об.: 1-об'єм кінцевої фракції; 2_ об'ємна частка спирту в кінцевій фракції; 3-об'єм спирту-сирцю.

Мал. 3 Взаємозв'язок між продуктами перегонки спирту-сирцю з вмістом спирту 29,8 % об.: 1-об'єм хвостової фракції; 2-об'ємна частка спирту в хвостовій фракції; 3-об'єм коньячного спирту.

Отримані графіки дозволяють наочно представити і визначити співвідношення між продуктами перегонки виноматеріалів і спирту-сирцю з різною об'ємною часткою етилового спирту.

Побудова математичної моделі перегонки. На підставі зазначених формул нами була побудована математична модель перегонки на базі програми Microsoft Excel, що дозволяє при введенні даних про об'єм початкової сировини, а також даних про початковий і кінцевий вміст етилового спирту автоматично обчислювати об'єм дистиляту і вміст у ньому етилового спирту. Крім цього, модель дозволяє здійснювати і зворотний розрахунок - встановлення об'ємної частки спирту в середовищі, що переганяється, при досягненні заданої міцності дистиляту.

На підставі результатів перегонок виноматеріалу і спирту-сирцю з різним вмістом етилового спирту було встановлено, що розрахункові показники спирту-сирцю і коньячного спирту входять у довірчий інтервал аналогічних показників реальних перегонок у тому випадку, коли об'ємна частка спирту в середовищі, що переганяється, була вище 0,1 % об. У випадку зниження вмісту спирту в середовищі, що переганяється, нижче зазначеного межі, результати відрізняються. Імовірно, до даної розбіжності приводить той факт, що при вказівці у формулі кінцевого вмісту етилового спирту в середовищі, що переганяється, рівному 0 розрахунковий обсяг дистиляту прагне до нескінченності. У зв'язку з цим був визначений розрахунковий вміст етилового спирту в середовищі, що переганяється, при якому розрахункові і реальні показники перегонки з повним переходом спирту в дистилят збігаються.

Для цього в математичну модель перегонки результати експериментальних перегонок були підставлені як кінцеві, і таким чином визначали розрахунковий вміст етилового спирту в середовищі, що переганяється, у момент закінчення перегонки.

У результаті кінцева концентрація спирту в середовищі, що переганяється, відповідно до розрахунків, коливалася від 0,1 до 0,01 % об. При цьому при перегонці спирту-сирцю розрахунковий залишковий вміст спирту в середовищі, що переганяється, був трохи нижче, ніж при перегонці виноматеріалу. Для установлення вірогідності цього розходження нами було проведене порівняння цих двох груп даних (вибірок) за критерієм Ст'юдента (t- тест). У результаті було встановлено, що розглянуті вибірки відносяться до різних генеральних сукупностей. При цьому середнє значення у цікавлячого показника при перегонці виноматеріалу складає 0,080 % об., а при перегонці спирту-сирцю 0,028 % об.

Таким чином, використовуючи зазначені значення вмісту етилового спирту в середовищі, що переганяється, як кінцеві, у залежності від виду сировини, що переганяється, можна одержати результати розрахунків, близькі до реальних перегонок.

Установлення максимального виходу коньячного спирту при одній перегонці виноматеріалу. Використовуючи адаптовану математичну модель, установили вихід коньячного спирту з 1000 л виноматеріалу з різною об'ємною часткою етилового спирту через одержання спирту-сирцю з різної спиртуозністю, яку можна регулювати за рахунок відбору кінцевої фракції.

Після встановлення обсягів початкових і кінцевих продуктів складалося рівняння теплового балансу і визначалася кількість тепла (у кДж), затрачуване на проведення перегонки.

На підставі отриманих результатів нами складені зведені графіки, що показують взаємозв'язок між вмістом етилового спирту в спирті-сирці й обсягом одержуваного коньячного спирту, а також витратою тепла на одиницю кінцевого продукту. Приклад графіка, що характеризує перегонку виноматеріалу зі змістом спирту 10 % об. і одержанням коньячного спирту з об'ємною часткою етилового спирту 66 %, представлений на мал 4.

Мал. 4 Вихід коньячного спирту з вмістом етилового спирту 66 % об. і витрати тепла на 1л кінцевого продукту при перегонці 1000 л виноматеріалу з об'ємною часткою етилового спирту 10,0 % об: 1- вихід коньячного спирту; 2- витрати тепла на одержання 1 л коньячного спирту.

Початкова крапка побудови графіка відповідає виходу коньячного спирту при перегонці відповідно до діючої ТІ. Далі, з підвищенням вмісту спирту в спирті-сирці вихід коньячного спирту збільшується за рахунок підвищення об'ємної частки спирту в спирті-сирці і досягає максимуму в крапці, характерної для виноматеріалу з певною об'ємною часткою етилового спирту, а потім знову знижується за рахунок скорочення об'єму спирту-сирцю. Таким чином, для виноматеріалу з певною часткою етилового спирту існує оптимальна частка етилового спирту в спирті-сирці, при якій вихід коньячного спирту є максимальним.

Питомі енерговитрати тепла при одержанні коньячного спирту мають зворотну тенденцію, тобто в міру збільшення вмісту спирту в спирті-сирці спочатку знижуються, досягаючи мінімуму, а потім починають рости. При цьому, для певної частки етилового спирту у виноматеріалі існує оптимальна частка етилового спирту в спирті-сирці, при якій витрати тепла на одержання коньячного спирту є мінімальними.

У результаті проведення математичної обробки було встановлено, що взаємозв'язок між вмістом спирту у виноматеріалі й оптимальною об'ємною часткою етилового спирту в спирті-сирці в діапазоні міцності виноматеріалу 8-14 % об., а коньячного спирту в діапазоні 62-70 % об. визначається рівняннями:

при максимальному виході у=1,16х+0,60с-18,18 (1)

при мінімальних витратах у=1,58х+0,36с-2,97 (2)

де у- оптимальна об'ємна частка етилового спирту в спирті-сирці, %;

х- об'ємна частка етилового спирту у виноматеріалі, %;

с - об'ємна частка етилового спирту в коньячному спирті, %.

При цьому графіки залежності розглянутих показників будуть являти собою поверхні, представлені на мал. 5.

а)

б)

Мал.5 Взаємозв'язок між вмістом етилового спирту у виноматеріалі, об'ємною часткою спирту в коньячному спирті й оптимальною об'ємною часткою етилового спирту в спирті-сирці: а - для перегонки з максимальним виходом коньячного спирту, б - для перегонки з мінімальними витратами тепла. Х - вміст етилового спирту у виноматеріалі, % об., У - вміст етилового спирту в коньячному спирті, % об., Z - оптимальна об'ємна частка етилового спирту в спирті-сирці, %.

Стосовно початкових даних у діапазоні міцності виноматеріалу 8-14 % об. і діапазоні міцності коньячного спирту 62-70 % об. зазначені рівняння мають коефіцієнт детермінації 0,99.

Визначення моменту переходу на відбір кінцевої фракції. Для практичного здійснення перегонок за пропонованою технологією найбільший інтерес представляє не об'ємна частка спирту в одержуваному спирті-сирці, а об'ємна частка спирту в спиртовому ліхтарі (парах) у момент, при якому необхідно здійснювати перехід на відбір кінцевої фракції. За допомогою математичного моделювання нами були отримані результати, об'єднані у відповідних рівняннях множинної регресії:

при максимальному виході у= -0,61х+0,65с-30,34 (3)

при мінімальних витратах у= -0,17х+0,56с-24,43 (4)

де у- об'ємна частка етилового спирту в парах у момент переходу на відбір кінцевої фракції, %;

х- об'ємна частка етилового спирту у виноматеріалі, %;

с - об'ємна частка етилового спирту в коньячному спирті, %.

Отримані формули мають коефіцієнт детермінації 0,94-0,96, що свідчить про високу адекватність отриманих рівнянь.

Поправка на відбір головної фракції. При проведенні вищевказаних розрахунків ми виходили з того, що відбір головної фракції здійснюється при перегонці спирту-сирцю і, таким чином, не впливає на вміст спирту в продуктах перегонки виноматеріалу. Однак, у випадку відбору головної фракції при перегонці виноматеріалу необхідно враховувати зниження вмісту спирту в середовищі, що переганяється, (виноматеріалі) до того моменту, коли починається відбір спирту-сирцю.

У результаті проведених розрахунків нами було встановлено, що у випадку проведення відбору головної фракції з виноматеріалу в розрахункові формули (1) і (2) необхідно вводити поправочний коефіцієнт. При цьому формули приймуть наступний вигляд:

при максимальному виході у=1,13х+0,60с-18,18 (5)

при мінімальних витратах у=1,54х+0,36с-2,97 (6)

Ефективність розроблювальної схеми при різних варіантах перегонки. Остаточно судити про переваги пропонованої схеми перегонки можна тільки після проведення повного циклу із шести перегонок і здійснення, таким чином, 5-кратного повернення проміжних фракцій у виноматеріал, що переганяється. Це зв'язано з тим, що одержувані проміжні продукти перегонки мають об'ємну частку спирту, відмінну від об'ємної частки спирту в сировині, що переганяється, і, таким чином, їхнє додавання у виноматеріал впливає на вміст спирту в середовищі, що переганяється наступних перегонок, а відповідно, на вихід і вміст спирту в продуктах перегонки.

Ґрунтуючись на діючій технологічній інструкції, у якій передбачений 5-кратний оборот хвостової фракції, можна припустити наступні шляхи використання проміжних фракцій:

Безпосереднє 5-кратне повернення суміші кінцевих і хвостових фракцій у виноматеріал, що переганяється;

5-кратне повернення хвостової фракції у виноматеріал, а також зміцнення кінцевих фракцій від 5 перегонок за допомогою простої перегонки й однократне повернення їх у виноматеріал 6 перегонки.

Перегонка без повернення кінцевої і хвостової фракцій з наступним зміцненням їхньої суміші, отриманої від 5 перегонок, і повернення у виноматеріал 6 перегонки.

З обліком вищевикладеного нами проводилися розрахунки перегонок з різним використанням кінцевих і хвостових фракцій. Після проведення всіх продуктових розрахунків складався об'єм коньячного спирту, отриманого за даною схемою, і далі визначалися витрати тепла на проведення всіх перегонок по кожному варіанту, включаючи витрати на зміцнення кінцевих і хвостових фракцій. Після цього встановлювалися питомі енерговитрати на одержання коньячного спирту.

Подібним чином проводилися розрахунки перегонок виноматеріалу з об'ємною часткою етилового спирту 8, 10, 12 14 % і одержанням коньячного спирту з вмістом етилового спирту 62, 66, 70 % об. На мал. 6 показаний приклад розрахунку перегонки виноматеріалу з вмістом спирту 10 % об. і при одержанні коньячного спирту з вмістом етилового спирту 66 % об.

Мал.6 Результати розрахунків перегонок виноматеріалу з вмістом етилового спирту 10 % об. при одержанні коньячного спирту з об'ємною часткою етилового спирту 66 %: А - без повернення фракцій, Б - повернення суміші кінцевої і хвостової фракцій, У - повернення хвостової фракції. 1 - контроль, 2 - перегонка з використанням формули для максимального виходу, 3 - перегонка з використанням формули для мінімальних енерговитрат.

Стовпці діаграм відображають об'єм коньячного спирту, отриманого за повний цикл із 6 перегонок, а крапковий графік показує витрати тепла на 1л коньячного спирту при кожнім способі перегонки. При цьому дані контрольної перегонки (відповідно до діючої ТІ) у кожнім випадку знаходяться в першому стовпці (1), далі йде дослідна перегонка, проведена із використанням формули для максимального виходу коньячного спирту (2), а також із використанням формули для мінімальних питомих витрат тепла (3). Буквами А, Б, В на малюнках позначені різні схеми використання проміжних фракцій, відповідно однократне повернення укріпленої суміші кінцевої і хвостової фракції від 5 перегонок у виноматеріал 6 перегонки, безпосереднє повернення суміші фракцій у виноматеріал наступних перегонок і повернення у виноматеріал наступних перегонок однієї хвостової фракції з подальшим зміцненням кінцевих фракцій від 5 перегонок і повернення їх у виноматеріал 6 перегонки. коньяк повернення фракція спирт

При аналізі усіх варіантів перегонок було встановлено, що розроблювальна технологія дозволяє за повний цикл із 6 перегонок збільшувати вихід коньячного спирту в розмірі до 5 % або зменшувати питомі енерговитрати до 12 %. При цьому різниця між контрольною й удосконаленою схемами перегонки тим вище, чим нижче вміст спирту у виноматеріалі, що переганяється.

Що стосується найбільш раціональної схеми використання проміжних фракцій, то у всіх випадках найбільший вихід коньячного спирту при зниженні енерговитрат спостерігався при перегонці за схемою, що передбачає перегонку без повернення кінцевої і хвостової фракції з наступним зміцненням їхньої суміші за допомогою простої перегонки й однократне повернення у виноматеріал, що переганяється, (А2). При цьому оптимальна об'ємна частка етилового спирту в спирті-сирці розраховувалася із застосуванням формули для максимального виходу коньячного спирту при одній перегонці (1). Крім цього, у більшості випадків для перегонки з мінімальними витратами тепла при збільшенні виходу коньячного спирту кращі результати давала схема Б3, що передбачає безпосереднє повернення проміжних фракцій у виноматеріал наступних перегонок і використання для визначення оптимальної об'ємної частки етилового спирту в спирті-сирці формули для мінімальних енерговитрат при однократній перегонці (2).

Вплив удосконаленої схеми одержання на якість коньячного спирту. Зміна схеми перегонки виноматеріалу може вплинути на перехід летучих домішок у дистилят, що у свою чергу впливає на органолептичні показники одержуваного продукту. Зокрема, при перегонці за удосконаленою схемою перехід на відбір хвостової фракції проводиться при значно більш низькій концентрації етилового спирту в одержуваному дистиляті, чим при звичайній схемі перегонки. Тому можна припустити, що в коньячний спирт переходить більша кількість хвостових домішок. Однак, при перегонці за удосконаленою схемою відбір хвостових домішок додатково здійснюється при виділенні кінцевої фракції, що приводить до одержання спирту-сирцю заздалегідь збідненого, у порівнянні з контрольною перегонкою хвостовими домішками. Таким чином, було проведено більш детальне вивчення хімічного складу коньячних спиртів, отриманих з однієї партії виноматеріалу при перегонці як по контрольній, так і по удосконаленій схемах перегонки. У результаті було встановлено, що значної відмінності в хімічному складі контрольного і дослідного спиртів не спостерігається, хоча в дослідному коньячному спирті трохи знижений вміст летучих кислот, які, як відомо, в основному поводяться як хвостові домішки. Таким чином, можна припустити, що подвійне виділення хвостових домішок компенсує більш пізній перехід на відбір хвостової фракції при перегонці за удосконаленою схемою, що не приводить до надлишкового вмісту хвостових домішок у коньячному спирті.

При проведенні органолептичного аналізу було встановлено, що контрольний коньячний спирт мав типовий рівний, без пороків аромат, у якому просліджувалася ефірна нота. Смак у міру пекучий, відчутні легкі погонні тона. Зразок одержав середній бал 7,7.

Дослідний коньячний спирт мав більш чистий і тонкий аромат із квітчасто-плодовими тонами. Смак більш м'який. Зазначений зразок деякими дегустаторами був оцінений вище, ніж контрольний, і одержав середній бал 7,75.

Раціональне виділення і використання головних фракцій. Додатковим резервом збільшення виходу коньячного спирту, є раціональне використання головних фракцій, вміст етилового спирту в яких може досягати 3 % від вмісту у початковій сировині. Як відомо, у даний час відбір головних фракцій в основному проводиться при перегонці спирту-сирцю з наступним напрямком їх на утилізацію.

Аналіз приведеної технології одержання коньячних спиртів показав, що вона може бути удосконалена шляхом перегонки виноматеріалів із відбором головних фракцій при першій перегонці виноматеріалу і багаторазовому їхньому поверненні не в спирт-сирець коньячний, а у виноматеріал. При цьому трохи збільшується об'ємна частка спирту у виноматеріалі наступних перегонок і скорочується обсяг спирту-сирцю коньячного і зв'язані з цим матеріальні витрати, у той час як загальний вихід коньячного спирту збільшується. Крім цього, буде забезпечене більш ефективне виділення небажаних домішок коньячного спирту. Теоретично це пояснюється тим, що коефіцієнт ректифікації більшості головних домішок зі зниженням об'ємної частки спирту в середовищі, що переганяється, підвищується, а оскільки об'ємна частка спирту у виноматеріалі в 2,5-3,0 раза нижче, ніж у спирті-сирці, відбір головної фракції при перегонці виноматеріалу буде сприяти більш ефективному виділенню головних домішок.

При проведенні досліджень нами був прийнятий 10-ти кратний оборот головної фракції, що перевищує кількість повернень, практично можливих на виробництві.

У результаті проведених дослідних перегонок було встановлено, що концентрація більшості летучих домішок у частинах дистиляту, що відбираються в початку перегонки виноматеріалу значно вище, ніж у частинах дистиляту, що відбираються на початку перегонки спирту-сирцю коньячного. Отримані дані підтверджують відомості про те, що більш ефективне виділення небажаних домішок головного характеру може бути забезпечене при одержанні коньячних спиртів на апаратах шарантского типу шляхом відбору головних фракцій при першій перегонці виноматеріалу, замість їхнього відбору при перегонці спирту-сирцю коньячного.

На наступному етапі досліджень проводилися перегонки однорідних партій виноматеріалів з одержанням коньячного спирту, як за технологією, закладеною у діючу ТІ, що передбачає відбір головної фракції при перегонці спирту-сирцю коньячного (контроль), так і з відбором головної фракції тільки при першій перегонці виноматеріалу (дослід 1). Крім цього, робили 11 перегонок виноматеріалу з відбором головних фракцій при першій перегонці і поверненням їх у виноматеріал кожної наступної перегонки, здійснюючи, таким чином, багаторазове (10-ти кратне) повернення головних фракцій у виноматеріал (дослід 2). Відбір головної фракції здійснювався в кількості 3 % від безводного спирту в сировині, що переганяється.

В усіх отриманих коньячних спиртах визначали вміст летучих домішок, після чого вивчали динаміку зміни вмісту домішок у коньячних спиртах у залежності від кратності повернення головних фракцій у виноматеріал. Після чого, методом найменших квадратів установлювалася загальна тенденція зміни концентрації домішок. Результати аналізу представлені на мал. 7.

Мал. 7 Динаміка зміни вмісту основних домішок коньячного спирту в міру повернення головних фракцій: 1- альдегіди, 2-вищі спирти, 3- летучі кислоти, 4- середні ефіри.

Як видно з малюнка 7, вміст усіх ключових домішок в міру повернення головних фракцій у виноматеріал зростає. При цьому найбільше інтенсивно зростає кількість альдегідів і ефірів і найменше відбувається ріст летучих кислот і вищих спиртів. За цикл із 10 повернень головної фракції кількість альдегідів збільшилась на 27 % у порівнянні зі зразком без повернення головної фракції. Інтенсивність накопичення ефірів трохи нижче і складає близько 20 % за 10 оборотів головної фракції. Вміст вищих спиртів за повний цикл збільшився на 7 %, а вміст летучих кислот зріс не більше ніж на 1 %.

Що стосується абсолютного вмісту названих домішок, то слід зазначити, що навіть після 10-ти кратного обороту головних фракцій вміст альдегідів, вищих спиртів і летучих кислот не перевищує вмісту їх у контрольному зразку. Вміст середніх ефірів на початку також знижено, у порівнянні з контролем, але в міру повернення головних фракцій підвищується і після 10-кратного обороту їхній вміст на 18 % вище, ніж у контролі. Крім цього, за рахунок розходження в інтенсивності накопичення вищих спиртів і середніх ефірів у міру повернення головних фракцій міняється їхнє співвідношення. Так, якщо в контролі співвідношення вищих спиртів до середніх ефірів складає 3,4, то в дослідному спирті, після 10 кратного повернення головних фракцій, це співвідношення дорівнює 2,9.

При проведенні газохроматографічного аналізу було встановлено, що в контрольному коньячному спирті при відборі головної фракції зі спирту-сирцю, у порівнянні з дослідними зразками, збільшений загальний вміст вищих спиртів. Зі збільшенням кратності повернення головної фракції вміст вищих спиртів у дослідних зразках підвищується і наближається до контролю. Однак це збільшення відбувається в більшому ступені за рахунок ізобутилового і н-пропилового спирту (збільшення вмісту на 44 і 26 % від первісного вмісту, відповідно), чим ізоамілового (збільшення вмісту на 15%).

Схожа ситуація складається й у зміні концентрації середніх ефірів: при відборі головної фракції з виноматеріалу, на фоні загального зниження вмісту ефірів (в основному за рахунок уксусноетилового ефіру), збільшується вміст найбільш коштовних для органолептичних показників коньяку компонентів “энантового ефіру”. В міру повернення головних фракцій збільшується загальний вміст ефірів, при цьому вміст этилацетата зростає на 26 %, а вміст основних компонентів "энантового ефіру" - на 86 %.

При проведенні органолептичної оцінки отриманих спиртів було встановлено, що контрольний коньячний спирт мав чистий без пороків аромат, із легкими сивушними тонами, у смаку трохи грубуватий. Середня оцінка - 7,7 бала. Спирт досліду 1 мав гармонічний, більш яскравий аромат, у якому з'явилися квітчасто-плодові тони. Смак більш м'який. Середній бал - 7,8. Спирт досліду 2 мав повний, яскравий аромат і м'який смак. По якості займав проміжне положення між зразком №1 і зразком №2. Середня оцінка - 7,75 бала.

На підставі проведених досліджень можна зробити висновок, що при одержанні коньячних спиртів на апаратах шарантського типу методом подвійної сгонки раціонально головні фракції відбирати тільки при першій перегонці виноматеріалу і робити їхнє багаторазове (до 10 разів) повернення у виноматеріал, що переганяється, що дозволяє збільшити вихід коньячного спирту без зниження якості одержуваної продукції.