Правильная колонна. Стабильная ректификационная колонна
Ректификационная колонна - это специальный аппарат, который предназначается для разделения жидкостей, имеющих отличную В основном используются такие аппараты в промышленности, однако, иногда изготавливается ректификационная колонна своими руками для домашнего использования.
В основном конструкция применяется в процессе самогоноварения. Принцип ее работы заключается в том, чтобы от исходной жидкости отделить чистый спирт или самогон. Происходит это так: в бак колонны заливается сырье и нагревается до определенной температуры. Во время кипения жидкости выделяется пар, который оседает в верхней части устройства, конденсируется и собирается в дополнительном сосуде, а неиспользованная жидкость возвращается обратно в бак.
Естественно, для того, чтобы ректификационная колонна своими руками получилась качественной, необходимо выбрать для изготовления правильный материал. Если все элементы тщательно подобраны, а конструкция аппарата выполнена без погрешностей, то в результате должен получиться чистый спирт, не имеющий примесей, запаха и пены. Поэтому изготовлению прибора, его устройству и схеме следует уделить повышенное внимание.
Ректификационная колонна своими руками делается в соответствии со схемой. Тем более, она имеет гораздо меньшие размеры, чем промышленный аппарат, который может иметь высоту более 20 метров. Сделанная дома ректификационная колонна, устройство которой нельзя назвать простым, состоит из множества элементов. Прежде всего, необходимо приобрести стальную трубу, длина которой составляет около 120-150 см. В качестве дефлегматора можно использовать литровый термос. Также потребуются переходники, которые будут соединять трубу с баками, утеплитель для насадочной части устройства, лист нержавеющей стали для изготовления опорных шайб, небольшая трубка, используемая в качестве отвода воды и холодильника. Также следует обратить внимание, что сталь должна быть безопасной для здоровья, то есть могла применяться в пищевой промышленности.
Из инструментов понадобится молоток, электрическая дрель со сверлами, пассатижи, напильник, наждачная бумага, паяльник с припоем или флюсом, переходники на краны, резиновые трубки небольшого диаметра и термометр.
Самодельная ректификационная колонна изготавливается по определенной технологии. Труба должна иметь необходимую длину, а ее края должны быть отторцованы. Для соединения трубы и узла дистиллята используется специальный переходник. Соединение трубы и куба необходимо запаять, а место пайки впоследствии требует зачистки. Далее нужно изготовить стальные насадки, которые засыпаются в трубу до самого верха.
Теперь в трубу вставляется опорная шайба, в которую всаживается узкий торец отбора. Место соединения также спаивается. Следующим шагом будет тепловая изоляция трубы.
Термос, который будет использоваться в качестве дефлегматора, нужно разобрать и удалить дно. Внутреннюю колбу следует вытащить из внешней, и снять вакуумную крышку термоса. В колбе нужно сделать отверстие в центре дна элемента и в центральной части ее задней стороны. В верхнее отверстие нужно вставить трубу и запаять ее там. Далее дно одевается на колбу. Во внешней колбе также делаются отверстия для трубок отвода и подвода воды. Располагаются они в верхней и нижней части колбы. Места соединений нужно запаять. В узле отбора дистиллята нужно сделать отверстие для втулки термометра.
Ректификационная колонна своими руками изготавливается с тщательным соблюдением правил безопасности. Естественно, во время работы используются защитные перчатки, одежда, маска и респиратор. После изготовления прибора все места спайки нужно промыть раствором воды и соды и ополоснуть проточной водой.
Из школьного курса мы знаем, что процесс ректификации это процесс разделения сложных смесей на компоненты путем многократного испарения и конденсации составляющих частей. В результаты получаются идеально чистые компоненты, температуры переходов в разные агрегатные состояния которых, соответственно, разные.
Применяется этот не хитрый процесс при производстве бензина, керосина, чистого кислорода и азота. А еще ректификация помогает отделить сивушные масла и альдегидные фракции, чтобы получить этанол, или этиловый спирт.
Этот процесс осуществляется в ректификационных колоннах, устройство которых позволяет создавать продукт чистотой до 96 %. Можно создать самодельный самогонный аппарат, имея прямые руки, минимальные познания в органической химии и желание наслаждаться качественным алкоголем собственного производства.
Ректификационную камеру в наше время можно и просто напросто купить, но мы пойдем иным путем. Мы соберем миниатюрный ликероводочный завод собственными руками.
Из названия процесса, который дал имя и колонне понятно, что внутри происходит постоянная ректификация, а сама колонна выполнена из материалов, которые не вступают в реакцию с компонентами процесса.
В перегонный куб заливается рабочая жидкость, брага настоянная на зерне, ягодах, фруктах и т.п. и доводиться до температуры кипения. В ходе кипения рабочей жидкости выделяется спиртосодержащий пар, которые легче, чем жидкость и за счет этого поднимается по трубе вверх, где охлаждается.
Охлаждаясь нагретый пар выпадает в конденсат на стенки колонны и в виде жидкости устремляется обратно в перегонный куб, но на пути следования встречает новую порцию нагретого пара. Компоненты, чья температура кипения ниже рабочей жидкости вновь испаряется, среди таких компонентов — этиловый спирт.
Суть процесса в том, что вещества распределяются по вертикальной колонне, в соответствии с уровнем совей точки испарения и конденсации. Примерно на высоте 75 % от перегонного куба происходит собирание паров этилового спирта — здесь устанавливается патрубок для отвода этих самых паров в емкость с конечным продуктом.
Выше по колонне концентрируются ядовитые летучие пары альдегидов и диметилкетона, и через отводную трубу выводятся в атмосферу, ниже формирования концентрации паров этилового спирита скапливаются сивушные масла и прочие фракции, чья температура кипения превышает температуру кипения этанола.
§ 13.2 Ректификационные колонны: их устройство и работа
Как было сказано выше, ректификация осуществляется в специальных аппаратах - ректификационных колоннах, которые являются основными элементами ректификационных установок.
Процесс ректификации может осуществляться периодически и непрерывно, независимо от типа и конструкции ректификационных колонн. Рассмотрим процесс непрерывной ректификации, с помощью которого происходит разделение жидких смесей в промышленности.
Ректификационная колонна - вертикальный цилиндрический аппарат со сварным (или сборным) корпусом, в котором расположены массо- и теплообменные устройства (горизонтальные тарелки 2 или насадка). В нижней части колонны (рис. 13.3) имеется куб 3, в котором происходит кипение кубовой жидкости. Нагревание в кубе осуществляется за счет глухого пара, находящегося в змеевике или в кожухотрубчатом подогревателе-кипятильнике. Неотъемлемой частью ректификационной колонны является дефлегматор 7, предназначенный для конденсации пара, выходящего из колонны.
Ректификационная тарельчатая колонна работает следующим образом. Куб постоянно подогревается, и кубовая жидкость кипит. Образующийся в кубе пар поднимается вверх по колонне. Предварительно нагревается до кипения исходная смесь, подлежащая разделению. Она подается на питательную тарелку 5, которая делит колонну на две части: нижнюю (исчерпывающую) 4 и верхнюю (укрепляющую) 6. Исходная смесь с питательной тарелки стекает на нижележащие тарелки, взаимодействуя на своем пути с, движущимся снизу вверх паром. В результате этого взаимодействия пар обогащается легколетучим компонентом, а стекающая вниз жидкость, обедняясь этим компонентом, обогащается труднолетучим. В нижней части колонны идет процесс извлечения (исчерпывания) легколетучего компонента из исходной смеси и переход его в пар. Некоторая часть готового продукта (ректификата) подается на орошение верхней части колонны.
Жидкость, поступающую на орошение верха колонны и перетекающую по колонне сверху вниз, называют флегмой. Пар, взаимодействуя с флегмой на всех тарелках верхней части колонны, обогащается (укрепляется) легколетучим компонентом. Пар, выходящий из колонны, направляется в дефлегматор 7, в котором осуществляется его конденсация. Образующийся дистиллят делится на два потока: один в виде продукта направляется на дальнейшее охлаждение и на склад готовой продукции, другой направляется обратно в колонну в качестве флегмы.
Важнейшим элементов тарельчатой ректификационной колонны является тарелка, поскольку именно на ней происходит взаимодействие пара с жидкостью. На рис. 13.4 изображена схема устройства и работы колпачковой тарелки. Она имеет дно 1, герметически соединенное с корпусом колонны 4, паровые патрубки 2 и сливные патрубки 5. Паровые патрубки предназначены для пропускания поднимающихся с нижней тарелки паров. По сливным патрубкам жидкость стекает с вышележащей тарелки на нижележащую. На каждый паровой патрубок монтируется колпачок 3, с помощью которого пары направляются в жидкость, барботируют через нее, охлаждаются и частично конденсируются. Дно каждой тарелки обогревается парами нижележащей тарелки. Кроме того, при частичной конденсации пара выделяется тепло. За счет этого тепла жидкость на каждой тарелке кипит, образуя свои пары, которые смешиваются с парами, поступившими с нижележащей тарелки. Уровень жидкости на тарелке поддерживается с помощью сливных патрубков.
Рис. 13.3. Схема ректификационной колонны: / - корпус; 2 - тарелки; 3 - куб; 4, 6 - исчерпывающая и укрепляющая части колонны; 5 -питательная тарелка; 7 - дефлегматор
Процессы, протекающие на тарелке, можно описать следующим образом (см. рис. 13.4). Пусть на тарелку поступают пары состава Л с нижней тарелки, а с верхней тарелки по переливной трубке стекает жидкость состава В. В результате взаимодействия пара А с жидкостью В (пар, барботируя через жидкость, частично ее испарит, а сам частично сконденсируется) образуется новый пар состава С и новая жидкость состава D , находящиеся в равновесии. В результате работы тарелки новый пар С богаче легколетучим веществом по сравнению с поступившим с нижней тарелки паром А, то есть на тарелке пар С обогатился легколетучим веществом. Новая жидкость D , наоборот, стала беднее легколетучим веществом по сравнению с поступившей с верхней тарелки жидкостью В, то есть на тарелке жидкость обедняется легколетучим и обогащается труднолетучим компонентом. Короче, работа тарелки сводится к обогащению пара и обеднению жидкости легколетучим компонентом.
Рис. 13.4. Схема устройства и работы колпачковой тарелки: /- дно тарелки; 2 -паровой патрубок;
3 - колпачок; 4 - корпус колонны; 5 - сливной патрубок
Рис. 13.5. Изображение работы ректификационной тарелки на диаграмме у -х: 1 - равновесная кривая;
2 - линия рабочих концентраций
Тарелка, на которой достигается состояние равновесия между поднимающимися с нее парами и стекающей жидкостью, называется теоретической. В реальных условиях из-за кратковременного взаимодействия пара с жидкостью на тарелках не достигается состояние равновесия. Разделение смеси на реальной тарелке идет менее интенсивно, чем на теоретической. Поэтому для выполнения: работы одной теоретической тарелки требуется больше чем одна реальная тарелка.
На рис. 13.5 изображена работа ректификационной тарелки с использованием диаграммы у -х. Теоретической тарелке соответствует заштрихованный прямоугольный треугольник, катетами которого являются величина приращения концентрации легколетучего компонента в паре, равная ус -y а , и величина уменьшения концентрации легколетучего компонента в жидкости, равная x B - x D . Отрезки, соответствующие указанным изменениям концентраций, сходятся на равновесной кривой. Тем самым предполагается, что фазы, покидающие тарелку, находятся в состоянии равновесия. Однако в действительности состояние равновесия не достигается, и отрезки изменения концентраций не достигают равновесной кривой. То есть рабочей (действительной) тарелке будет соответствовать меньший треугольник, чем тот, который изображен
на рис. 13.5.
Конструкции тарелок ректификационных колонн весьма разнообразны. Рассмотрим кратко основные из них.
Колонны с колпачковыми тарелками широко применяются в промышленности. Использование колпачков обеспечивает хороший контакт между паром и жидкостью, эффективное перемешивание на тарелке и интенсивный массообмен между фазами. По форме колпачки могут быть круглыми, многогранными и прямоугольными, тарелки - одно- и многоколпачковыми.
Тарелка с желобчатыми колпачками показана рис. 13.6. Пар с нижней тарелки проходит в зазоры и попадает в верхние (опрокинутые) желоба, которые направляют его в нижние желоба, заполненные жидкостью. Здесь пар барботирует через жидкость, что обеспечивает интенсивный массообмен. Уровень жидкости на тарелке поддерживается переливным устройством.
Колонны с ситчатыми тарелками показаны на рис. 13.7. Тарелки имеют большое количество отверстий малого диаметра (от 0,8 до 3 мм). Давление пара и скорость его прохода через отверстия должны находиться в соответствии с давлением жидкости на тарелке: пар должен преодолевать давление жидкости и препятствовать ее утечке через отверстия на нижележащую тарелку. Поэтому ситчатые тарелки требуют соответствующего регулирования и весьма чувствительны к изменению режима. В случае уменьшения давления пара жидкость с ситчатых тарелок уходит вниз. Ситчатые-тарелки чувствительны к загрязнениям (осадкам), которые могут забивать отверстия, создавая условия образования повышенных давлений. Все это ограничивает их применение.
Насадочные колонны (рис. 13.8) отличаются тем, что в них роль тарелок выполняет так называемая «насадка». В качестве насадки используют специальные керамические кольца (кольца Рашига), шарики, короткие трубки, кубики, тела седловидной, спиралевидной и т. п. формы, изготовленные из разнообразных материалов (фарфора, стекла, металла, пластмассы и др.).
Пар поступает в нижнюю часть колонны из выносного кипятильника и движется вверх по колонне навстречу стекающей жидкости. Распределяясь по большой поверхности, образуемой насадочными телами, пар интенсивно контактирует с жидкостью, обмениваясь компонентами. Насадка должна иметь большую поверхность в единице объема, оказывать малое гидравлическое сопротивление, быть стойкой к химическому воздействию жидкости и пара, обладать высокой механической прочностью, иметь невысокую стоимость.
Насадочные колонны имеют небольшое гидравлическое сопротивление, удобны в эксплуатации: легко опорожняются, промываются, продуваются, очищаются.
Цель статьи – разобрать теоретические и некоторые практические аспекты работы домашней ректификационной колонны, нацеленной на получение этилового спирта, а также развеять самые распространенные в Интернете мифы и разъяснить моменты, о которых «умалчивают» продавцы оборудования.
Ректификация спирта – разделение многокомпонентной спиртосодержащей смеси на чистые фракции (этиловый и метиловый спирты, воду, сивушные масла, альдегиды и другие), имеющие разную температуру кипения, путем многократного испарения жидкости и конденсации пара на контактных устройствах (тарелках или насадках) в специальных противоточных башенных аппаратах.
С физической точки зрения ректификация возможна, поскольку изначально концентрация отдельных компонентов смеси в паровой и жидкой фазах отличается, но система стремится к равновесию – одинаковому давлению, температуре и концентрации всех веществ в каждой фазе. При контакте с жидкостью пар обогащается легколетучими (низкокипящими) компонентами, в свою очередь, жидкость – труднолетучими (высококипящими). Одновременно с обогащением происходит обмен теплом.
Принципиальная схема Момент контакта (взаимодействия потоков) пара и жидкости называется процессом тепломассообмена.
Благодаря разной направленности движений (пар поднимается вверх, а жидкость стекает вниз), после достижения системой равновесия в верхней части ректификационной колонны можно по отдельности отобрать практически чистые компоненты, входившие в состав смеси. Сначала выходят вещества с более низкой температурой кипения (альдегиды, эфиры и спирты), потом – с высокой (сивушные масла).
Состояние равновесия. Появляется на самой границе разделения фаз. Достигается только при одновременном соблюдении двух условий:
- Равное давление каждого отдельно взятого компонента смеси.
- Температура и концентрация веществ в обеих фазах (паровой и жидкой) одинакова.
Чем чаще система приходит в равновесие, тем эффективнее тепломасообмен и разделение смеси на отдельные составляющие.
Разница между дистилляцией и ректификацией
Как видно на графике, из 10% спиртового раствора (браги) можно получить самогон 40%, а при второй перегонке этой смеси выйдет 60-градусный дистиллят, при третьей – 70%. Возможны следующие интервалы: 10-40; 40-60; 60-70; 70-75 и так далее до максимума – 96%.
Теоретически, чтобы получить чистый спирт, требуется 9-10 последовательных дистилляций на самогонном аппарате. На практике перегонять спиртосодержащие жидкости концентрацией выше 20-30% взрывоопасно, к тому же из-за больших затрат энергии и времени экономически невыгодно.
С этой точки зрения, ректификация спирта – это минимум 9-10 одновременных, ступенчатых дистилляций, которые происходят на разных контактных элементах колонны (насадках или тарелках) по всей высоте.
| Отличие | Дистилляция | Ректификация |
| Органолептика напитка | Сохраняет аромат и вкус исходного сырья. | Получается чистый спирт без запаха и вкуса (проблема имеет решение). |
| Крепость на выходе | Зависит от количества перегонок и конструкции аппарата (обычно 40-65%). | До 96%. |
| Степень разделения на фракции | Низкая, вещества даже с разной температурой кипения перемешиваются, исправить это невозможно. | Высокая, можно выделить чистые вещества (только с разной температурой кипения). |
| Способность убрать вредные вещества | Низкая или средняя. Для повышения качества требуется минимум две перегонки с разделением на фракции хотя бы при одной из них. | Высокая, при правильном подходе отсекаются все вредные вещества. |
| Потери спирта | Высокие. Даже при правильном подходе можно извлечь до 80% от всего количества, сохранив приемлемое качество. | Низкие. Теоретически, реально извлечь весь этиловый спирт без потери качества. На практике минимум 1-3% потерь. |
| Сложность технологии для реализации в домашних условиях | Низкая и средняя. Подходит даже самый примитивный аппарат со змеевиком. Возможны улучшения оборудования. Технология перегонки проста и понятна. Самогонный аппарат обычно не занимает много места в рабочем состоянии. | Высокая. Требуется специальное оборудование, изготовить которое без знаний и опыта невозможно. Процесс сложнее для понимания, нужна предварительная хотя бы теоретическая подготовка. Колонна занимает больше места (особенно по высоте). |
| Опасность (в сравнении друг с другом), оба процесса пожаро- и взрывоопасны. | Благодаря простоте самогонного аппарата дистилляция несколько безопаснее (субъективное мнение автора статьи). | Из-за сложного оборудования, при работе с которым существует риск допустить больше ошибок, ректификация опаснее. |
Работа ректификационной колонны
Ректификационная колонна – устройство, предназначенное для разделения многокомпонентной жидкой смеси на отдельные фракции по температуре кипения. Представляет собой цилиндр постоянного или переменного сечения, внутри которого находятся контактные элементы – тарелки или насадки.
Также почти каждая колонна имеет вспомогательные узлы для подвода исходной смеси (спирта-сырца), контроля процесса ректификации (термометры, автоматика) и отбора дистиллята – модуль, в котором конденсируется, а затем принимается наружу извлеченный из системы пар определенного вещества.
Одна из самых распространенных домашних конструкции Спирт-сырец – продукт перегонки браги методом классической дистилляции, который можно «заливать» в ректификационную колонну. Фактически это самогон крепостью 35-45 градусов.
Флегма – сконденсировавшийся в дефлегматоре пар, стекающий по стенкам колонны вниз.
Флегмовое число – отношение количества флегмы к массе отбираемого дистиллята. В спиртовой ректификационной колонне находятся три потока: пар, флегма и дистиллят (конечная цель). В начале процесса дистиллят не отбирают, чтобы в колонне появилась достаточно флегмы для тепломассообмена. Потом часть паров спирта конденсируют и отбирают из колонны, а оставшиеся спиртовые пары и дальше создают поток флегмы, обеспечивая нормальную работу.
Для работы большинства установок флегмовое число должно быть не меньше 3, то есть 25% дистиллята отбирают, остальной – нужен в колонне для орошения контактных элементов. Общее правило: чем медленнее отбирать спирт, тем выше качество.
Контактные устройства ректификационной колонны (тарелки и насадки)
Отвечают за многократное и одновременное разделение смеси на жидкость и пар с последующей конденсацией пара в жидкость – достижение в колонне состояния равновесия. При прочих равных условиях, чем больше в конструкции контактных устройств, тем эффективнее ректификация в плане очистки спирта, поскольку увеличивается поверхность взаимодействия фаз, что интенсифицирует весь тепломасообмен.
Теоретическая тарелка – один цикл выхода из равновесного состояния с повторным его достижением. Для получения качественного спирта требуется минимум 25-30 теоретических тарелок.
Физическая тарелка – реально работающее устройство. Пар проходит сквозь слой жидкости в тарелке в виде множества пузырьков, создающих обширную поверхность контакта. В классической конструкции физическая тарелка обеспечивает примерно половину условий для достижения одного равновесного состояния. Следовательно, для нормальной работы ректификационной колонны требуется в два раза больше физических тарелок, чем теоретических (расчетных) минимум – 50-60 штук.
Насадки. Зачастую тарелки ставят только на промышленные установки. В лабораторных и домашних ректификационных колоннах в качестве контактных элементов используются насадки – скрученная специальным образом медная (либо стальная) проволока или сетки для мытья посуды. В этом случае флегма стекает тонкой струйкой по всей поверхности насадки, обеспечивая максимальную площадь контакта с паром.
Насадки из мочалок самые практичные Конструкций очень много. Недостаток самодельных проволочных насадок – возможная порча материала (почернение, ржавчина), заводские аналоги лишены подобных проблем.
Свойства ректификационной колонны
Материал и размеры. Цилиндр колонны, насадки, куб и дистилляторы обязательно делают из пищевого, нержавеющего, безопасного при нагревании (равномерно расширяется) сплава. В самодельных конструкциях в качестве куба чаще всего используются бидоны и скороварки.
Минимальная длина трубы домашней ректификационной колонны – 120-150 см, диаметр – 30-40 мм.
Система нагрева. В процессе ректификации очень важно контролировать и быстро регулировать мощность нагрева. Поэтому самым удачным решением является нагрев с помощью ТЭНов, вмонтированных в нижнюю часть куба. Подвод тепла через газовую плиту не рекомендуется, поскольку не позволяет быстро менять температурный диапазон (высокая инертность системы).
Контроль процесса. Во время ректификации важно следовать инструкции производителя колонны, в которой обязательно указываются особенности эксплуатации, мощность нагрева, флегмовое число и производительность модели.
Термометр позволяет точно контролировать процесс отбора фракций Очень сложно контролировать процесс ректификации без двух простейших приспособлений – термометра (помогает определить правильную степень нагрева) и спиртометра (измеряет крепость полученного спирта).
Производительность. Не зависит от размеров колонны, поскольку, чем выше царга (труба), тем больше физических тарелок находится внутри, следовательно, качественнее очистка. На производительность влияет мощность нагрева, которая определяет скорость движения потоков пара и флегмы. Но при переизбытке подаваемой мощности колонна захлебывается (перестает работать).
Средние значения производительности домашних ректификационных колон – 1 литр в час при мощности нагрева 1 кВт.
Влияние давления. Температура кипения жидкостей зависит от давления. Для успешной ректификации спирта давление вверху колонны должно быть приближено к атмосферному – 720-780 мм.рт.ст. В противном случае при уменьшении давления снизится плотность паров и увеличится скорость испарения, что может стать причиной захлебывания колонны. При слишком высоком давлении падает скорость испарения, делая работу устройства неэффективной (нет разделения смеси на фракции). Для поддержания правильного давления каждая колонна для ректификации спирта оборудована трубкой связи с атмосферой.
О возможности самодельной сборки. Теоретически, ректификационная колонна не является очень сложным устройством. Конструкции успешно реализуются умельцами в домашних условиях.
Но на практике без понимания физических основ процесса ректификации, правильных расчетов параметров оборудования, подбора материалов и качественной сборки узлов, использование самодельной ректификационной колоны превращается опасное занятие. Даже одна ошибка может привести к пожару, взрыву или ожогам.
В плане безопасности прошедшие испытания (имеют подтверждающую документацию) заводские колонны надежнее, к тому же поставляются с инструкцией (должна быть подробной). Риск возникновения критической ситуации сводится только к двум факторам – правильной сборке и эксплуатации согласно инструкции, но это проблема почти всех бытовых приборов, а не только колонн или самогонных аппаратов.
Принцип работы ректификационной колонны
Куб наполняют максимум на 2/3 объема. Перед включением установки обязательно проверяют герметичность соединений и сборки, перекрывают узел отбора дистиллята и подают охлаждающую воду. Только после этого можно начать нагрев куба.
Оптимальная крепость подаваемой в колонну спиртосодержащей смеси – 35-45%. То есть в любом случае перед ректификацией требуется дистилляция браги. Полученный продукт (спирт-сырец) потом перерабатывают на колонне, получая почти чистый спирт.
Это значит, что домашняя ректификационная колонна не является полной заменой классического самогонного аппарата (дистиллятора) и может рассматриваться лишь как дополнительная ступень очистки, более качественно заменяющая повторную дистилляцию (вторую перегонку), но нивелирующая органолептические свойства напитка.
Справедливости ради отмечу, что большинство современных моделей ректификационных колон предполагают работу в режиме самогонного аппарата. Для перехода к дистилляции нужно лишь перекрыть штуцер соединения с атмосферой и открыть узел отбора дистиллята.
Если одновременно перекрыть оба штуцера, то нагретая колонна может взорваться из-за избыточного давления! Не допускайте подобных ошибок!
На промышленных установках непрерывного действия зачастую брагу перегоняют сразу, но это возможно благодаря гигантским размерам и особенностям конструкции. Например, стандартом считается труба 80 метров высоты и 6 метров диаметра, в которой установлено в разы больше контактных элементов, чем на ректификационных колоннах для дома.
Размер имеет значение. Возможности спиртзаводов в плане очистки куба больше, чем при домашней ректификации После включения жидкость в кубе доводится нагревателем до кипения. Образовавшийся пар поднимается вверх по колонне, затем попадает в дефлегматор, где конденсируется (появляется флегма) и по стенкам трубы возвращается в жидком виде в нижнюю часть колонны, на обратном пути контактируя с поднимающимся паром на тарелках или насадках. Под действием нагревателя флегма снова становится паром, а пар вверху опять конденсируется дефлегматором. Процесс становится циклическим, оба потока непрерывно контактируют друг с другом.
После стабилизации (пара и флегмы достаточно для равновесного состояния) в верхней части колонны скапливаются чистые (разделенные) фракции с самой низкой температурой кипения (метиловый спирт, уксусный альдегид, эфиры, этиловый спирт), внизу – с самой высокой (сивушные масла). По мере отбора нижние фракции постепенно поднимаются вверх по колонне.
В большинстве случаев стабильной (можно начинать отбор) считается колонна, в которой температура не меняется на протяжении 10 минут (общее время прогрева – 20-60 минут). До этого момента устройство работает «само на себя», создавая потоки пара и флегмы, которые стремятся к равновесию. После стабилизации начинается отбор головной фракции, содержащей вредные вещества: эфиры, альдегиды и метиловый спирт.
Ректификационная колонна не избавляет от необходимости разделять выход на фракции. Как и в случае с обычным самогонным аппаратом приходится собирать «голову», «тело» и «хвост». Разница только в чистоте выхода. При ректификации фракции не «смазываются» – вещества с близкой, но хотя бы на десятую долю градуса разной температурой кипения не пересекаются, поэтому при отборе «тела» получается почти чистый спирт. Во время обычной дистилляции разделить выход на фракции, состоящие только из одного вещества, невозможно физически какая бы конструкция не использовалась.
Если колонна выведена на оптимальный режим работы, то при отборе «тела» трудностей не возникает, так как температура всё время стабильна.
Нижние фракции («хвосты») при ректификации отбирают, ориентируясь по температуре или по запаху, но в отличие от дистилляции эти вещества не содержат спирта.
Возвращение спирту органолептических свойств. Зачастую «хвосты» требуются, чтобы вернуть спирту-ректификату «душу» – аромат и вкус исходного сырья, например, яблока или винограда. После завершения процесса в чистый спирт добавляют некоторое количество собранных хвостовых фракций. Концентрацию рассчитывают эмпирическим путем, экспериментируя на небольшом количестве продукта.
Преимущество ректификации в возможности добыть практически весь содержащийся в жидкости спирт без потери его качества. Это значит, что «головы» и «хвосты», полученные на самогонном аппарате, можно переработать на ректификационной колонне и получить безопасный для здоровья этиловый спирт.
Захлебывание ректификационной колонны
Каждая конструкция имеет предельную скорость движения пара, после которой течение флегмы в кубе сначала замедляется, а потом и вовсе прекращается. Жидкость накапливается в ректификационной части колонны и происходит «захлебывание» – прекращение тепломассообменного процесса. Внутри происходит резкий перепад давления, появляется посторонний шум или бульканье.
Причины захлебывания ректификационной колонны:
- превышение допустимой мощности нагрева (встречается наиболее часто);
- засорение нижней части устройства и переполнение куба;
- очень низкое атмосферное давление (характерно для высокогорий);
- напряжение в сети выше 220В – в результате мощность ТЭНов возрастает;
- конструктивные ошибки и неисправности.
Начинающие самогонщики обычно предпочитают дистилляторы. Но чем больше опыт, тем сильнее хочется получать совершенный продукт – лишенный сивушных масел и максимально крепкий.
У самогонщиков, не знакомых на практике с работой РК, существует предубеждение. Они считают, что ректификационная колонна забирает запах исходного продукта. Это справедливо лишь отчасти.
Все зависит от цели, а эксплуатируется колонна по-разному: с целью получения спирта-ректификата или чистого и укрепленного дистиллята.
Ректификационная колонна по внешнему виду — высокая труба , вертикально возвышающаяся над перегонным кубом. Непременные составляющие:
- Труба из пищевой нержавейки высотой не ниже 1 и не выше 1,5 метра. Промышленные имеют размеры, в тысячи раз превосходящие указанные.
- Дефлегматор – верхняя часть трубы с водяной рубашкой.
- Насадки: РПН либо кухонные прополочные скребки из нержавейки, а также (не всегда) СПН- спиральки равного диаметра и высоты.
- Термометр. А лучше два: один в кубе, второй – в колонне.
- Трубка для соединения с атмосферой.
- Прямоточный холодильник, который окончательно конденсирует пары спирта, идущие из колонны.
- Соединительные элементы и трубки для подключения/отвода воды для охлаждения.
- Утеплитель колонны в отсеке, где происходит тепломассообмен (желателен, но не обязателен).
Расчет параметров системы
Расчет необходим для того, чтобы колонна выдавала чистый от сивухи и прочих примесей продукт крепостью до 95°. При этом не захлебывалась, имела оптимальную скорость перегона.
Внимание. Любая из представленных на рынке и самодельных ректификационных колонн имеет скорость перегона в разы ниже, чем .
Это связано с необходимостью многократного переиспарения спиртосодержащей жидкости.
Продуктивность и качество работы зависят от:
- высоты и диаметра царги;
- правильных расчетов по насадке;
- мощности нагрева;
- объема перегонного куба.
Размеры трубы и насадки
Чтобы обеспечить правильную укрепляющую и разделительную способности вне зависимости от внутреннего сечения, приемлемой высотой царги считается 1 — 1,5 м. Эти параметры определены многочисленными экспериментами.
При меньшей высоте не удастся уберечься от прорыва сивухи в готовый продукт, то есть – не удастся добиться надлежащей чистоты отбора. Если же сделать высоту большей, это не дает лучших показателей и даже напротив – увеличивает количество головных фракций. Проще говоря – каждый лишний сантиметр колонны снижает разделяющие способности устройства и отрицательно влияет на скорость перегона.
Допустимые параметры внутреннего диаметра трубы – 28-52 мм . Это – размеры, применяемые в производстве бытовых РК.
Существует формула: производительность, измеряемая в миллилитрах продукта за час работы и мощность (Ватты) равны площади сечения (поперечного разреза) трубы в кв. мм, то есть – прямо пропорциональны ее диаметру в квадрате.
Выбирая или сооружая колонну, просчитывайте диаметр (внутренний). При больших отклонениях правильно работать она не будет.
Насадка
Она не просто увеличивает контакт спиртосодержащего пара с флегмой, она должна быть привязана к конкретной колонне. При домашнем подбирают насадки, имеющие поверхность контакта 1,5 — 4 м2 на литр ректификата.
Если взять больше, очистка улучшится, но упадет и без того невысокая скорость перегонки. Если взять меньше 1,5 кв.м, то разделение и укрепление упадут, в результате чистого спирта не получится.
При использовании только РПН обычно скрученные полотна вставляют одно над другим снизу – от куба до узла отбора. Соотношение СПН к внутреннему диаметру подбирается меньше в 13-15 раз. То есть, при толщине проволоки 0,25 мм диаметр СПН подбирается к трубе 50 мм – 3,5х3,5; 40 мм – 3х3; 28-32 мм – 2х2.
Внимание. Для различных задач используются свои насадки.
Например, при перегонке (дистилляции) зернового сырья целесообразно применять медные РПН или СПН, кольца, седловидные насадки. Для ректификации – РПН+СПН, порезанные проволочные мочалки.
Подбираем объем перегонного куба
Ректификацию проводят после первой дистилляции, когда получают спирт-сырец. Заливается 40-градусная жидкость. Количество насадки для недопущения попадания сивухи в готовый продукт исчисляется от 10 до 20 объемов спиртосодержащей крепкой жидкости в кубе.
Разрешается заполнять спиртом-сырцом только на 2/3, то и подбирать емкость следует, исходя из используемой царги. Расчеты при 1,5-метровой колонне с диаметром трубы:
- 50 мм – не менее 30, не более 60 л. Нужна емкость на 40-80 литров;
- 40 мм – от 17 до 34 л. Куб до 50 литров;
- 32 мм – от 10 до 20 л. Куб до 30 литров;
- 28 мм –до 14 л. Требуется куб до 18 литров.
При минимальных объемах можно брать трубу длиной не 1,5, а 1-1,2 м.
Чем греть и на какой мощности?
Ректификация – это не дистилляция, при которой возможен нагрев на плитках различного промышленного изготовления и даже дровяной. Для РК необходимо выполнение нескольких обязательных условий:
- обеспечение максимально быстрого нагрева;
- возможность тонкой регулировки нагрева для качественного разделения алкоголя на фракции;
- безопасность – предохранение от воспламенения и взрыва, с учетом того, что в кубе – не слабоалкогольная брага, а крепкий спирт-сырец.
В связи с этим и подбирать источник нагрева из многих вариантов необходимо с учетом этих требований:
- Дровяная печь . Отбрасывается безоговорочно, поскольку ни одному пункту требований не отвечает.
- Газовая конфорка. Не подходит, поскольку невозможно точно отрегулировать нагрев и высока опасность взрыва.
- Электроплита не соответствует по той причине, что она работает по принципу полной остановки нагрева и возобновлении после падения температуры до критической отметки (вспомните «щелчки», издаваемые электроплиткой). Когда электропитание прервется, флегма будет не стекать постепенно, как предусмотрено технологией, а обрушится и ректификация попросту не состоится или ее придется начинать заново – с другим источником нагрева.
- Индукционная плита может быть использована «с натяжкой». У нее невозможно плавное изменение мощности, а правильная ректификация требует плавного, не более 10 Вт за раз.
- ТЭН с регулировкой, стабилизацией напряжения и плавным изменением нагрева на 5-10 Вт – это оптимальное решение. Именно им следует оснастить РК.
При подборе мощности учитывайте: для быстрого нагрева куба необходим килловатный ТЭН на каждые 10 литров жидкости. То есть:
- Для 50 литрового (в нем – 40 литров), требуется 4-х килловатный ТЭН.
- 40 л (оптимально 30 л) – 3-х килловатный.
- 30 (до 23 л) – 2,5 кВт.
- 20-25 (15-20 л) – 1,5 кВт.
Расчеты дефлегматора
Их определяют, исходя из типа колонны. При отборе спирта ниже дефлегматора, лучший выбор — дефлегматор Димрота мощностью до 5 Ватт на квадратный см.
Если отбор выше дефлегматора, то мощность может составлять до 2 Ватт. Применяется как Димрот, так и «рубашечник».
Например, если у вас царга 50 мм, то для Димрота достаточно трубки 6 см (внутреннее сечение) до 50 мм в длину (при точном расчете – 48,7). Рубашечник может быть из трубы 52 мм длиной 39 см.
Достижение необходимой мощности в таблице:
| Внутренний диаметр трубы (мм) | Высота царги (см) | Производительность при оптимальной мощности нагрева (мл/ч) |
| 52 | 100 | 1900-1950 |
| 51 | 150 | 1750-1790 |
| 42 | 150 | 1120-1190 |
| 40 | 100 | 1100-1130 |
| 32 | 150 | 630-660 |
| 28 | 150 | 450-490 |
Расчет прямоточного холодильника
Если прямоточник является доохладителем в РК с жидкостным отбором, достаточно 30-сантиметровой «рубашки» на трубке отбора. Обычно соединяют отвод воды с подачей к дефлегматору.
Другое дело, если РК вы намерены эксплуатировать и как дистиллятор, тогда рубашечник изготавливайте, исходя из дистилляционных потребностей.
Не нагружая вас малопонятными подробностями, отметим — чтобы поддерживать турбулентность движения пара, возьмите внутренний диаметр трубы, соответствующий мощности нагрева, помноженного на 6. Диаметр – в мм, мощность в кВТ.
Между стенками трубы и рубашки достаточно 1,5 мм для свободного движения воды.
Важно. При создании прямоточного холодильника навейте на внутреннюю трубу проволоку с таким диаметром, чтобы спираль на 0,3 мм не доставала до внутренней поверхности рубашечника.
Спираль навивается с шагом в 2-3 диаметра внутренней (паровой) трубы. Она предотвращает деформацию стенок, улучшает охлаждение и уберегает от образования «мертвых зон вследствие теплового расширения.
Принято использовать пары труб для холодильников с толщиной стенки 1 мм:
- 10 мм-14 мм;
- 12 мм-16 мм;
- 14 мм-18 мм;
- 16 мм-20 мм;
- 20 мм – 25 мм. В этом случае толщина трубы 25 мм нужна 1,5 мм.
Длина прямоточного холодильника – 50-75 см.
Опираясь на приведенные расчеты, при правильном подходе к делу вы получите продуктивный ректификатор, по качеству – даже выше промышленных аналогов. Но если вы решитесь на покупку готовой колонны, то сможете проверить соответствие ее параметров требованиям.
Полезные видео
Ректификационная колонна для самогонного аппарата своими руками — теория, практика, чертежи и схемы:
