Теорія ректифікації спирту і принцип роботи ректифікаційної колони

Мета статті - розібрати теоретичні та деякі практичні аспекти роботи домашньої ректифікаційної колони, націленої на отримання етилового спирту, а також розвіяти найпоширеніші в Інтернеті міфи і роз`яснити моменти, про які «мовчать» продавці обладнання.

ректифікація спирту - поділ багатокомпонентної спиртовмісної суміші на чисті фракції (етиловий і метиловий спирти, воду, сивушні масла, альдегіди та інші), що мають різну температуру кипіння, шляхом багаторазового випаровування рідини і конденсації пари на контактних пристроях (тарілках або насадках) в спеціальних протиточних баштових апаратах.

З фізичної точки зору ректифікація можлива, оскільки спочатку концентрація окремих компонентів суміші в паровій і рідкій фазах відрізняється, але система прагне до рівноваги - однаковому тиску, температури і концентрації всіх речовин в кожній фазі. При контакті з рідиною пар збагачується легколетучим (низькокиплячими) компонентами, в свою чергу, рідина - труднолетучем (високою температурою). Одночасно із збагаченням відбувається обмін теплом.

Момент контакту (взаємодії потоків) пара і рідини називається процесом тепломассообмена.

Завдяки різної спрямованості рухів (пар піднімається вгору, а рідина стікає вниз), після досягнення системою рівноваги в верхній частині колони ректифікації можна окремо відібрати практично чисті компоненти, що входили до складу суміші. Спочатку виходять речовини з більш низькою температурою кипіння (альдегіди, ефіри і спирти), потім - з високою (сивушні масла).

стан рівноваги. З`являється на самому кордоні поділу фаз. Досягається тільки при одночасному дотриманні двох умов:

1. Рівна тиск кожного окремо взятого компонента суміші.
2. Температура і концентрація речовин в обох фазах (парової та рідкої) однакова.

Чим частіше система приходить в рівновагу, тим ефективніше Тепломасообмін і поділ суміші на окремі складові.

Різниця між дистиляцією і ректифікацією

Як видно на графіку, з 10% спиртового розчину (браги) можна отримати самогон 40%, а при другій перегонці цієї суміші вийде 60-градусний дистилят, при третьої - 70%. Можливі такі інтервали: 10-40- 40-60- 60-70 70-75 і так далі до максимуму - 96%.

Теоретично, щоб отримати чистий спирт, потрібно 9-10 послідовних дистиляції на самогонному апараті. На практиці переганяти спиртовмісні рідини концентрацією вище 20-30% вибухонебезпечне, до того ж через великих витрат енергії і часу економічно невигідно.

З цієї точки зору, ректифікація спирту - це мінімум 9-10 одночасних, східчастих дистиляції, які відбуваються на різних контактних елементах колони (насадках або тарілках) по всій висоті.

відмінність	дистиляція	ректифікація
органолептика напою	Зберігає аромат і смак вихідної сировини.	Виходить чистий спирт без запаху і смаку (проблема має рішення).
Фортеця на виході	Залежить від кількості перегонок і конструкції апарату (зазвичай 40-65%).	До 96%.
Ступінь поділу на фракції	Низька, речовини навіть з різною температурою кипіння перемішуються, виправити це неможливо.	Висока, можна виділити чисті речовини (тільки з різною температурою кипіння).
Здатність прибрати шкідливі речовини	Низька або середня. Для підвищення якості потрібно мінімум дві перегонки з поділом на фракції хоча б при одній з них.	Висока, при правильному підході відсікаються всі шкідливі речовини.
втрати спирту	Високі. Навіть при правильному підході можна отримати до 80% від усієї кількості, зберігши прийнятну якість.	Низькі. Теоретично, реально витягти весь етиловий спирт без втрати якості. На практиці мінімум 1-3% втрат.
Складність технології для реалізації в домашніх умовах	Низька і середня. Підходить навіть найпримітивніший апарат зі змійовиком. Можливі поліпшення обладнання. Технологія перегонки проста і зрозуміла. Самогонний апарат зазвичай не займає багато місця в робочому стані.	Висока. Потрібне спеціальне обладнання, виготовити яке без знань і досвіду неможливо. Процес складніше для розуміння, потрібна попередня хоча б теоретична підготовка. Колона займає більше місця (особливо по висоті).
Небезпека (в порівнянні один з одним), обидва процеси пожежо- та вибухонебезпечні.	Завдяки простоті самогонного апарату дистиляція кілька безпечніше (суб`єктивна думка автора статті).	Через складного обладнання, при роботі з яким існує ризик допустити більше помилок, ректифікація небезпечніше.

Робота ректифікаційної колони

Ректифікаційна колона - пристрій, призначений для поділу багатокомпонентної рідкої суміші на окремі фракції за температурі кипіння. Являє собою циліндр постійного або змінного перерізу, всередині якого знаходяться контактні елементи - тарілки або насадки.

Також майже кожна колона має допоміжні вузли для підведення вихідної суміші (спирту-сирцю), контролю процесу ректифікації (термометри, автоматика) і відбору дистиляту - модуль, в якому конденсується, а потім приймається назовні витягнутий з системи пар певної речовини.

Спирт-сирець - продукт перегонки браги методом класичної дистиляції, який можна «заливати» в колону ректифікації. Фактично це самогон міцністю 35-45 градусів.

флегма - сконденсувалася в дефлегматоре пар, що стікає по стінках колони вниз.

флегмовое число - відношення кількості флегми до маси відбирається дистиляту. У спиртової ректифікаційної колоні перебувають три потоки: пар, флегма і дистилят (кінцева мета). На початку процесу дистилят не відбирають, щоб в колоні з`явилася досить флегми для тепломассообмена. Потім частина парів спирту конденсируют і відбирають з колони, а решта спиртові пари і далі створюють потік флегми, забезпечуючи нормальну роботу.

Для роботи більшості установок флегмовое число повинно бути не менше 3, тобто 25% дистиляту відбирають, решті - потрібен в колоні для зрошення контактних елементів. Загальне правило: чим повільніше відбирати спирт, тим вище якість.

Контактні пристрої ректифікаційної колони (тарілки і насадки)

Відповідають за багаторазове і одночасне розділення суміші на рідину і пар з подальшою конденсацією пари в рідину - досягнення в колоні стану рівноваги. За інших рівних умов, чим більше в конструкції контактних пристроїв, тим ефективніше ректифікація в плані очищення спирту, оскільки збільшується поверхню взаємодії фаз, що інтенсифікує весь Тепломасообмін.

теоретична тарілка - один цикл виходу з рівноважного стану з повторним його досягненням. Для отримання якісного спирту потрібно мінімум 25-30 теоретичних тарілок.

фізична тарілка - реально працюючий пристрій. Пара проходить крізь шар рідини в тарілці у вигляді безлічі бульбашок, що створюють велику поверхню контакту. У класичній конструкції фізична тарілка забезпечує приблизно половину умов для досягнення одного рівноважного стану. Отже, для нормальної роботи ректифікаційної колони потрібно в два рази більше фізичних тарілок, ніж теоретичних (розрахункових) мінімум - 50-60 штук.

насадки. Найчастіше тарілки ставлять лише на промислові установки. У лабораторних і домашніх ректифікаційних колонах в якості контактних елементів використовуються насадки - скручена спеціальним чином мідна (або сталева) дріт або сітки для миття посуду. В цьому випадку флегма стікає тонкою цівкою по всій поверхні насадки, забезпечуючи максимальну площу контакту з парою.

Конструкцій дуже багато. Недолік саморобних дротяних насадок - можлива псування матеріалу (почорніння, іржа), заводські аналоги позбавлені подібних проблем.

Властивості ректифікаційної колони

Матеріал і розміри. Циліндр колони, насадки, куб і дистилятори обов`язково роблять з харчового, нержавіючого, безпечного при нагріванні (поступово розширюється) сплаву. У саморобних конструкціях як куба найчастіше використовуються бідони і скороварки.

Мінімальна довжина труби домашньої ректифікаційної колони - 120-150 см, діаметр - 30-40 мм.

система нагріву. В процесі ректифікації дуже важливо контролювати і швидко регулювати потужність нагріву. Тому найвдалішим рішенням є нагрів за допомогою ТЕНів, вмонтованих в нижню частину куба. Підведення тепла через газову плиту не рекомендується, оскільки не дозволяє швидко змінювати температурний діапазон (висока інертність системи).

контроль процесу. Під час ректифікації важливо дотримуватися інструкції виробника колони, в якій обов`язково зазначаються особливості експлуатації, потужність нагріву, флегмовое число і продуктивність моделі.

Дуже складно контролювати процес ректифікації без двох найпростіших пристосувань - термометра (допомагає визначити правильну ступінь нагріву) і спірометра (вимірює фортеця отриманого спирту).

продуктивність. Чи не залежить від розмірів колони, оскільки, чим вище царга (труба), тим більше фізичних тарілок знаходиться всередині, отже, якісніше очищення. На продуктивність впливає потужність нагріву, яка визначає швидкість руху потоків пара і флегми. Але при надлишку подається потужності колона захлинається (перестає працювати).

Середні значення продуктивності домашніх ректифікаційних колон - 1 літр на годину при потужності нагріву 1 кВт.

вплив тиску. Температура кипіння рідин залежить від тиску. Для успішної ректифікації спирту тиск вгорі колони повинно бути наближене до атмосферного - 720-780 мм.рт.ст. В іншому випадку при зменшенні тиску знизиться щільність парів і збільшиться швидкість випаровування, що може стати причиною захлебиванія колони. При високому тиску падає швидкість випаровування, роблячи роботу пристрою неефективною (немає поділу суміші на фракції). Для підтримки правильного тиску кожна колона для ректифікації спирту обладнана трубкою зв`язку з атмосферою.

Про можливість саморобної збірки. Теоретично, колона ректифікації не є дуже складним пристроєм. Конструкції успішно реалізуються умільцями в домашніх умовах.

Але на практиці без розуміння фізичних основ процесу ректифікації, правильних розрахунків параметрів обладнання, підбору матеріалів і якісного складання вузлів, використання саморобної ректифікаційної колони перетворюється небезпечне заняття. Навіть одна помилка може призвести до пожежі, вибуху або опіків.

У плані безпеки минулі іспити (мають підтверджуючу документацію) заводські колони надійніше, до того ж поставляються з інструкцією (повинна бути докладною). Ризик виникнення критичної ситуації зводиться лише до двох факторів - правильній збірці і експлуатації відповідно до інструкції, але це проблема майже всіх побутових приладів, а не тільки колон або самогонних апаратів.

Принцип роботи ректифікаційної колони

Куб наповнюють максимум на 2/3 об`єму. Перед включенням установки обов`язково перевіряють герметичність з`єднань і збірки, перекривають вузол відбору дистиляту і подають охолоджуючу воду. Тільки після цього можна почати нагрів куба.

Оптимальна фортеця подається в колону спиртовмісної суміші - 35-45%. Тобто в будь-якому випадку перед ректифікацією потрібно дистиляція браги. Отриманий продукт (спирт-сирець) потім переробляють на колоні, отримуючи майже чистий спирт.

Це означає, що домашня колона ректифікації не є повною заміною класичного самогонного апарату (дистилятора) і може розглядатися лише як додаткова ступінь очищення, більш якісно замінює повторну дистиляцію (другу перегонку), але нівелюються органолептичні властивості напою.

Справедливості заради зазначу, що більшість сучасних моделей ректифікаційних колон припускають роботу в режимі самогонного апарату. Для переходу до дистиляції потрібно лише перекрити штуцер з`єднання з атмосферою і відкрити вузол відбору дистиляту.

Якщо одночасно перекрити обидва штуцери, то нагріта колона може вибухнути через надмірний тиск! Чи не допускайте подібних помилок!

На промислових установках безперервної дії часто брагу переганяють відразу, але це можливо завдяки гігантським розмірам і особливостям конструкції. Наприклад, стандартом вважається труба 80 метрів висоти і 6 метрів діаметру, в якій встановлено в рази більше контактних елементів, ніж на ректифікаційних колонах для будинку.

Після включення рідина в кубі доводиться нагрівачем до кипіння. Пара, що утворилася піднімається вгору по колоні, потім потрапляє в дефлегматор, де конденсується (з`являється флегма) і по стінках труби повертається в рідкому вигляді в нижню частину колони, на зворотному шляху контактуючи з піднімається паром на тарілках або насадках. Під дією нагрівача флегма знову стає паром, а пар вгорі знову конденсується дефлегматором. Процес стає циклічним, обидва потоки безперервно контактують один з одним.

Після стабілізації (пара і флегми досить для рівноважного стану) у верхній частині колони скупчуються чисті (розділені) фракції з найнижчою температурою кипіння (метиловий спирт, оцтовий альдегід, ефіри, етиловий спирт), внизу - з найвищою (сивушні масла). У міру відбору нижні фракції поступово піднімаються вгору по колоні.

У більшості випадків стабільної (можна починати відбір) вважається колона, в якій температура не змінюється протягом 10 хвилин (загальний час прогріву - 20-60 хвилин). До цього моменту пристрій працює «саме на себе», створюючи потоки пара і флегми, які прагнуть до рівноваги. Після стабілізації починається відбір головної фракції, що містить шкідливі речовини: ефіри, альдегіди і метиловий спирт.

Колона ректифікації не рятує від необхідності поділяти виходу на фракції. Як і у випадку зі звичайним самогонним апаратом доводиться збирати «голову», «тіло» і «хвіст». Різниця тільки в чистоті виходу. При ректифікації фракції не «змащуються» - речовини з близької, але хоча б на десяту частку градуса різною температурою кипіння не перетинаються, тому при відборі «тіла» виходить майже чистий спирт. Під час звичайної дистиляції розділити вихід на фракції, що складаються тільки з однієї речовини, неможливо фізично яка б конструкція не використовувалася.

Якщо колона виведена на оптимальний режим роботи, то при відборі "тіла" труднощів не виникає, так як температура весь час стабільна.

Нижні фракції ( «хвости») при ректифікації відбирають, орієнтуючись по температурі або по запаху, але на відміну від дистиляції ці речовини не містять спирту.

Повернення спирті органолептичних властивостей. Найчастіше «хвости» потрібні, щоб повернути спирту-ректифікату «душу» - аромат і смак вихідної сировини, наприклад, яблука або винограду. Після завершення процесу в чистий спирт додають деяку кількість зібраних хвостових фракцій. Концентрацію розраховують емпіричним шляхом, експериментуючи на невеликій кількості продукту.

Перевага ректифікації в можливості добути практично весь міститься в рідині спирт без втрати його якості. Це означає, що «голови» і «хвости», отримані на самогонному апараті, можна переробити на ректифікаційної колоні і отримати безпечний для здоров`я етиловий спирт.

Захлинання ректифікаційної колони

Кожна конструкція має граничну швидкість руху пара, після якої протягом флегми в кубі спочатку сповільнюється, а потім і зовсім припиняється. Рідина накопичується в ректифікаційної частини колони і відбувається «захлинання» - припинення тепломасообмінного процесу. Усередині відбувається різкий перепад тиску, з`являється сторонній шум або булькання.

Причини захлебиванія ректифікаційної колони:

• перевищення допустимої потужності нагріву (зустрічається найчастіше);
• засмічення нижній частині пристрою і переповнення куба;
• дуже низький атмосферний тиск (характерно для високогір`я);
• напруга в мережі вище 220В - в результаті потужність ТЕНів зростає;
• конструктивні помилки і несправності.