Як зробити колону ректифікації - розрахунок параметрів системи

Висота труби. Для забезпечення гарної утримує і розділової здатності, не залежно від діаметра, висота колони ректифікації повинна бути від 1 до 1,5 м. Якщо менше - не вистачить місця для накопичених в ході роботи сивушних масел, в результаті сивуха почне прориватися в відбір. Ще один недолік - голови будуть нечітко розділятися на фракції. Якщо висота труби більше - це не призведе до істотного поліпшення розділяє і стримує здатності системи, але збільшить час перегону, а також кількість «голів» і «підголівників» .Інші словами, зі збільшенням висоти труби надбавка до розділяє здатності колони ректифікації на кожен додатковий сантиметр знижується. Ефект від збільшення труби з 50 см до 60 см на порядок вище, ніж зі 140 см до 150 см.

Обсяг куба для колони ректифікації

Щоб підвищити вихід якісного спирту, але не допустити переповнення сивухою колони, навалювання (наповнення) спирту-сирцю в кубі обмежують в діапазоні 10-20 обсягів насадки. Для колон заввишки в 1,5 м і діаметром 50 мм - 30-60 л, 40 мм - 17-34 л, 32 мм - 10-20 л, 28 мм - 7-14 л.

З урахуванням заповнення куба на 2/3 об`єму, для колони внутрішнім діаметром царги 50 мм підійде 40-80 літрова ємність, для 40 мм - 30-50 літрова, для 32 мм - 20-30 літровий куб, а для 28 мм - скороварка.

При використанні куба об`ємом ближче до нижньої межі рекомендованого діапазону можна сміливо прибрати одну царгу і зменшити висоту до 1-1,2 метра. В результаті сивухи буде відносно мало для прориву в відбір, а ось обсяг «підголівників» помітно зменшиться.

Джерело і потужність нагріву колони

Тип плити. Самогон минуле не дає спокою багатьом новачкам, які вважають, що якщо раніше використовували для нагріву самогонного апарату газову, індукційну або звичайну електричну плиту, то можна залишити це джерело і для колони.

Процес ректифікації істотно відрізняється від дистиляції, все набагато складніше і багаття не підійде. Потрібно забезпечити плавне регулювання і стабільність подається потужності нагріву.

Електроплитки, що працюють по терморегулятора в режимі старт-стоп, не використовуються, тому що як тільки відбудеться короткочасне відключення живлення, пар перестане йти в колону, а флегма впаде в куб. В такому випадку доведеться почати ректифікацію заново - з роботи колони на себе і відбору «голів».

Індукційна плита - вкрай грубий апарат із ступінчастим зміною потужності по 100 -200 Вт, а при ректифікації потрібно міняти потужність плавно, буквально по 5-10 Вт. Та й стабілізувати нагрів незалежно від коливання напруги на вході навряд чи вийде.

Газова плита при залитому в куб 40-відсотковому спирті-сирці і 96-градусоном продукті на виході представляє смертельну небезпеку, не кажучи вже про коливання температури нагріву.

Оптимальне рішення - врізати в куб колони тен потрібної потужності, а для регулювання використовувати реле зі стабілізацією вихідної напруги, наприклад, РМ-2 16А. Можна взяти і аналоги. Головне отримати на виході стабілізовану напругу і можливість плавно змінювати температуру нагрівання по 5-10 Вт.

подається потужність. Щоб нагріти куб за прийнятний час, потрібно виходити з потужності 1 кВт на 10 літрів спирту-сирцю. Значить, для 50 л куба, заповненого на 40 літрів, потрібно мінімум 4 кВт, 40 л - 3 Квт, 30 л - 2-2.5 кВт, 20 л - 1.5 кВт.

При одному і тому ж обсязі куби можуть бути низькими і широкими, вузькими і високими. Вибираючи відповідну ємність, потрібно враховувати, що найчастіше куб використовується не тільки для ректифікації, але і при дистиляції, тому виходять з найжорсткіших умов, щоб потужність, що підводиться не приводила до бурхливого піноутворення з викидами бризок з куба в паропровід.

Дослідним шляхом встановлено, що при глибині розміщення тена близько 40-50 см нормальне кипіння відбувається в разі, якщо на 1 кв. см дзеркала навалювання доводиться не більше 4-5 Вт потужності. При зменшенні глибини допустима потужність збільшується, а при збільшенні - зменшується.

Є й інші чинники, що впливають на характер кипіння: щільність, в`язкість і поверхневий натяг рідини. Буває, що викиди відбуваються в кінці перегонки браги, коли збільшується щільність. Тому вести процес ректифікації на кордоні дозволеного діапазону завжди загрожує неприємностями.

Поширені циліндричні куби мають діаметр 26, 32, 40 см. Виходячи і допустимої потужності на площу поверхні дзеркала кубової навалювання 26 см куб, буде нормально працювати при потужності нагріву до 2,5 кВт, для 30 см - 3.5 кВт, 40 см - 5 кВт.

Третім фактором, що визначає потужність нагріву, є використання однієї з царг колони без насадки як сухопарнику для боротьби з бризгоунос. Для цього потрібно, щоб швидкість пара в трубі не перевищувала 1 м / с, при 2-3 м / с захисний ефект слабшає, а при великих значеннях пар буде гнати флегму вгору по трубі і закидати в відбір.

Формула для розрахунку швидкості пара:

V = N * 750 / S (м / сек),

де:

• N - потужність, кВт;
• 750 - пароутворення (куб. См / сек кВт);
• S - площа поперечного перерізу колони (кв. Мм).

Труба діаметром 50 мм впорається з бризгоунос при нагріванні до 4 кВт, 40-42 мм - до 3 кВт, 38 - до 2 кВт, 32 - до 1,5 кВт.

Виходячи з перерахованих вище міркувань, вибираємо обсяг, розміри куба, потужність нагріву і дистиляції. Всі ці параметри погоджені з діаметром і висотою колони.

Розрахунок параметрів дефлегматора ректифікаційної колони

Потужність дефлегматора визначається в залежності від типу ректифікаційної колони. Якщо будуємо колону з рідинним відбором або паровим нижче дефлегматора, то необхідна потужність повинна бути не менше номінальної потужності колони. Зазвичай в цих випадках в якості конденсатора застосовують холодильник Дімрота з утилізаційної потужністю 4-5 Ватт на 1 кв. см поверхні.

Якщо колона з відбором по пару вище дефлегматора, то розрахункова потужність становить 2/3 від номінальної. В цьому випадку можна застосувати Дімрот або «рубашечнік». Утилізаційна потужність рубашечніка нижче, ніж у дімрота і становить близько 2 Ватт на квадратний сантиметр.

Далі все просто: номінальну потужність ділимо на утилізаційну. Наприклад, для колони з внутрішнім діаметром 50 мм: 1950/5 = 390 кв. см площі Дімрота або 975 кв. см «рубашечніка». Значить, холодильник Дімрот можна зробити з трубки 6х1 мм довжиною 487 / (0.6 * 3.14) = 2.58 см для першого варіанту, з урахуванням коефіцієнта запасу 3 метри. Для другого варіанту множимо на дві третини: 258 * 2/3 = 172 см, з урахуванням коефіцієнта запасу 2 метри.

Рубашечнік для колони 52 х 1 - 975 / 5.2 / 3.14 = 59 см * 2/3 = 39 см. Але це для приміщень з високими стелями.

Розрахунок прямоточного холодильника

Якщо прямоточнік застосовується як доохладітель в ректифікаційної колоні з рідинним відбором, то вибирають найменший і компактний варіант. Досить потужності в 30-40% від номінальної потужності колони.

Виготовляють прямоточний холодильник без спіралі в зазорі між сорочкою і внутрішньої трубою, потім запускають відбір в сорочку, а охолоджуючу воду подають по центральній трубі. В цьому випадку сорочку наварюють на трубу подачі води в дефлегматор. Це невеликий «олівчик» довжиною близько 30 см.

Але якщо один і той же прямоточнік використовується як при дистиляції, так і при ректифікації, будучи універсальним вузлом, виходять не з потреби РК, а з максимальної потужності нагріву при дистиляції.

Для створення турбулентного потоку пара в холодильнику, що дозволяє забезпечити інтенсивність теплопередачі не менш 10 Ватт / кв. см, необхідно забезпечити швидкість пара близько 10-20 м / с.

Діапазон можливих діаметрів досить широкий. Мінімальний діаметр визначається з умов нестворення великого надлишкового тиску в кубі (не більше 50 мм вод стовпа), а максимальний розрахунком числа Рейнольдса, виходячи з мінімальної швидкості і максимального коефіцієнта кінематичної в`язкості парів.

Щоб не вдаватися в зайві подробиці, наведемо найпоширеніше визначення: «Для того, щоб в трубі підтримувався турбулентний режим руху пара, досить, щоб внутрішній діаметр (в міліметрах) був не більший 6-кратної потужності нагріву (в кіловатах)».

Рекомендовані діаметри парової труби

Для запобігання завоздушіванія водяної сорочки необхідно підтримувати лінійну швидкість води не нижче 11 см / с, але надмірне збільшення швидкості потребують великого тиску в водопроводі. Тому оптимальним вважається діапазон від 12 до 20 см / с.

Щоб скондесувати пар і охолодити конденсат до прийнятної температури, потрібно подавати воду при 20 ° C в обсязі близько 4.8 куб см / с (17 літрів на годину) на кожен кіловат потужності, що підводиться. При цьому вода нагріється на 50 градусів - до 70 ° C. Природно, взимку води знадобиться менше, а при використанні автономних систем охолодження, приблизно в півтора рази більше.

На підставі попередніх даних можна розрахувати площа поперечного перерізу кільцевого зазору і внутрішній діаметр сорочки. Потрібно враховувати і доступний сортамент труб. Розрахунки і практика показали, що зазор в 1-1.5 мм цілком достатньо для дотримання всіх необхідних умов. Цьому відповідають пари труб: 10х1 - 14х1, 12х1 - 16х1, 14х1 - 18х1, 16х1 - 20х1 і 20х1 - 25х1.5, які перекривають весь діапазон потужностей, що застосовуються в домашніх умовах.

Є ще одна важлива деталь прямоточніка - спіраль, навита на парову трубу. Робиться така спіраль з дроту діаметром, що забезпечує зазор в 0,2-0,3 мм до внутрішньої поверхні сорочки. Навивається із кроком рівним 2-3 діаметрам парової труби. Основне призначення - центрування парової труби, в якій при роботі температура вище, ніж в трубі сорочки. Це означає, що в слідстві теплового розширення парова труба подовжується і згинається, притулившись до сорочки, виникають мертві зони, які не омиваються водою охолодження, в результаті ефективність холодильника різко падає. Додатковими плюсами навивки спіралі є подовження шляху і створення турбулентності охолоджуючого потоку води.

Грамотно виконаний прямоточнік може утилізувати до 15 Ватт / кв. см площі теплообміну, що підтверджено дослідним шляхом. Для визначення довжини охолоджуваної частини прямоточніка скористаємося номінальною потужністю в 10 Вт / кв. см (100 кв. см / кВт).

Необхідна площа теплообміну дорівнює потужності нагріву в кіловатах, помноженої на 100:

S = P * 100 (кв. См).

Довжина зовнішнього кола парової труби:

Lокр = 3.14 * D.

Висота сорочки охолодження:

H = S / Lокр.

Загальна формула розрахунку:

H = 3183 * P / D (потужність в кВт, висота і зовнішній діаметр парової труби в міліметрах).

Приклад розрахунку прямоточніка

Потужність нагріву - 2 кВт.

Можливе застосування труб 12х1 і 14х1.

Площі перетину - 78,5 і 113 кв. мм.

Обсяг пара - 750 * 2 = 1500 куб. см / с.

Швидкості пара в трубах: 19,1 і 13,2 м / с.

Труба 14х1 виглядає краще, так як дозволяє мати запас по потужності, залишаючись в рекомендованому діапазоні швидкості пара.

Парна труба для сорочки - 18х1, кільцевої зазор складе 1 мм.

Швидкість подачі води: 4,8 * 2 = 9.6 см3 / с.

Площа кільцевого зазору - 3.14 / 4 * (16 * 16 - 14 * 14) = 47.1 кв. мм = 0,471 кв. см.

Лінійна швидкість - 9.6 / 0.471 = 20 см / с - значення залишається в рекомендованих межах.

Якби кільцевої зазор був 1,5 мм - 13 см / с. Якщо 2 мм, то лінійна швидкість впала б до 9.6 см / с і довелося б подавати воду вище номінального обсягу, виключно для того, щоб не завоздушівался холодильник, - безглузда витрата грошей.

Висота сорочки - 3183 * 2/14 = 454 мм або 45 см. Коефіцієнт запасу не потрібен, все враховано.

Підсумок: 14х1-18х1 з висотою охолоджувальної частини 45 см, номінальна витрата води - 9.6 куб. см / с або 34.5 літра на годину.

При номінальній потужності 2 кВт нагріву холодильник видаватиме 4 літри спирту на годину з хорошим запасом.

Ефективний і збалансований прямоточнік при дистиляції повинен мати співвідношення швидкості відбору до потужності нагріву і витраті води на охолодження 1 літр / год - 0,5 кВт - 10 літрів / годину. Якщо потужність вище, будуть великі тепловтрати, мала - корисна потужність нагріву знизиться. Якщо витрата води вище, прямоточнік має неефективну конструкцію.

Колону ректифікації можна використовувати в якості бражної. Устаткування для бражної колон має свої особливості, але друга перегонка відрізняється в основному технологією. Для першої перегонки особливостей більше і окремі вузли можуть виявитися не застосовними, але це тема для окремої розмови.

Виходячи з реальних домашніх потреб і існуючого асортименту труб, розрахуємо за наведеною методикою типові варіанти ректифікаційної колони.

P.S. Висловлюємо подяку за систематизацію матеріалу і допомогу в підготовці статті користувачеві нашого форуму ІгорьГор.