Процесс ректификации в ректификационной колонне

Теория ректификации спирта и принцип работы ректификационной колонны

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.

Схема ректификации

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:

  1. Равное давление каждого отдельно взятого компонента смеси.
  2. 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.

ОтличиеДистилляцияРектификация
Органолептика напиткаСохраняет аромат и вкус исходного сырья.Получается чистый спирт без запаха и вкуса (проблема имеет решение).
Крепость на выходеЗависит от количества перегонок и конструкции аппарата (обычно 40-65%).До 96%.
Степень разделения на фракцииНизкая, вещества даже с разной температурой кипения перемешиваются, исправить это невозможно.Высокая, можно выделить чистые вещества (только с разной температурой кипения).
Способность убрать вредные веществаНизкая 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 спиртаВысокие. 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 условияхНизкая 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.

Ректификация нефти в колонне

Что такое ректификация

Ректификация – это способ разделения компонентов смеси, основанный на свойстве компонентов данной смеси выкипать при различных температурах.

Ректификация представляет собой процесс разделения бинарных, многокомпонентных или непрерывных смесей на практически чистые компоненты или их смеси (фракции), отличающиеся температурами кипения (для бинарных и многокомпонентных смесей) или интервалами выкипания (для непрерывных смесей).

Анализ фракций нефти и нефтепродуктов на содержание в них индивидуальных углеводородов и их классов показывает, что нефть и ее фракции представляют собой сложную многокомпонентную смесь. Количество компонентов в нефти превышает 2000. Из-за большого количества компонентов нефть принято считать непрерывной смесью и выражать ее состав кривой истинных температур кипения (ИТК), имеющей плавный, непрерывный характер.

Читайте также:  Отзывы о самогонном аппарате Добрый жар Профи: плюсы и минусы

Поэтому процесс ректификации представляет собой массообмен, протекающий в обе стороны между 2-мя фазами смеси, одна из которых – жидкость, а другая – пар. Иными словами, это многократно повторяющееся контактное взаимодействие неравновесных фаз в виде жидкой нефти, а также пара.

Процесс ректификации осуществляется в результате контакта потоков пара и жидкости. При этом непременным условием является перемещение пара и жидкости навстречу друг другу по высоте (длине) ректификационного аппарата. Движущей силой тепло- и массообмена между паром и жидкостью в аппарате является разница температур по высоте (длине) аппарата.

Ректификационная колонна является одним из центральных аппаратов технологической установки по первичной переработке нефти или нефтепродуктов. Применение данного аппарата вызвано необходимостью реализации простого способа разделения нефти или ее продуктов на фракции в зависимости от их температур кипения. Такой способ получил название ректификации, а аппарат для проведения данного процесса – ректификационной колонной.

Но одна ректификационная колонна не может справиться с задачами по разделению фракций. На нефтеперерабатывающих предприятиях колонна тесно связана со множеством другого оборудования – насосного, теплообменного, печного, сепарационного.

Наиболее удобно иллюстрировать принцип действия ректификационного аппарата на примере колонны с колпачковыми тарелками.

Ректификационные колонны

Тепломассообмен между противоточно движущимися неравновесными паровой и жидкой фазами в ректификационных осуществляется на контактных устройствах (КУ), которые часто называются “тарелками”.

В ректификационных колоннах поток парового орошения создается нагревательными элементами (печь, ввод перегретого водяного пара), а жидкого – конденсационными устройствами (холодильники – конденсаторы, холодные циркуляционные орошения).

В результате взаимодействия между паровой и жидкой фазами на КУ в соответствии с законами термодинамического парожидкостного равновесия паровая фаза обогащается легкокипящими, а жидкая – тяжелокипящими компонентами. Поэтому именно КУ и определяют в значительной мере общую эффективность процесса разделения.

Для нефтяных колонн вообще и для колонн АВТ, в частности, можно выделить ряд присущих им характерных особенностей:

  • очень высокая производительность по сырью (до 1000 м 3 /ч для атмосферной колонны);
  • подвод тепла в разделительную систему осуществляется огневым нагревом сырья в трубчатой печи (основная и вакуумная колонны АВТ), вводом перегретого водяного пара (практически все колонны) и циркуляцией «горячей струи» (отбензиневающая колонна АТ);
  • последнее обстоятельство предполагает применение специальных сепарационных зон для разделения паровой и жидкой фаз;
  • в схеме ректификации присутствуют выносные отпарные секции, а также циркуляционные орошения, что предполагает возможность организации на КУ боковых отборов жидкой фазы и подводов как паровой, так и жидкой фаз в нескольких точках по высоте колонны.

Эти особенности должны учитываться при выборе конструкций контактных устройств в задачах проектирования блоков разделения нефти.

Принцип работы ректификационной колонны

Конструкция ректификационной колонны представляет собой вертикальную емкость цилиндрической формы различного или постоянного сечения, которая используется для физического разделения смеси углеводородов и получения требуемых нефтепродуктов заданного качества в результате ректификации.

В колонне пары перемещаются вверх от тарелки к тарелке за счет разности давлений в эвапорационном пространстве и вверху колонны. Жидкость стекает вниз по тарелкам и сливным устройствам под действием силы тяжести.

Ректификационную колонну можно разделить на 3 функциональные части:

  1. Концентрационная секция – расположена выше точки ввода сырья в аппарат
  2. Секция питания – в центре колонны, подается сырье на тарелку питания
  3. Отгонная секция – находится ниже точки ввода сырья

Секция питания колонны Концентрационная секция Отгонная секция

Для возможности протекания процесса ректификации температура нефти должна быть ниже температуры подаваемого пара. Данное следствие исходит из свойств равновесной системы. Если температура нефти была бы равна или ниже температуры пара процесс ректификации был бы невозможен.

Процесс ректификации может проводиться только для смесей с различными температурами кипения для возможности осуществления диффузионного процесса разделения. Для этого жидкость двигается сверху вниз, а пар – снизу вверх, чтобы обеспечить наилучший контакт и взаимодействие фаз.

Классификация ректификационных колон

Колонные аппараты можно разделить в зависимости от технологического процесса:

  • Атмосферная и вакуумная перегонка (нефти и мазута);
  • Вторичная перегонка бензина;
  • Стабилизация нефти, газоконденсатов, нестабильных бензинов;
  • Фракционирование нефтезаводских, нефтяных и природных газов;
  • Отгонка растворителей при процессах очистки масел;
  • Разделение продуктов термодеструктивных и каталитических процессов переработки нефтяного сырья и газов и т. д.;

Характеристика ректификационных колонн различных установок НПЗ

Типы контактных устройств ректификационных колон

Для осуществления процесса ректификации в колонных аппаратах обязательно используют контактные устройства:

Роторные колонны не получили большого распространения, к то время как тарельчатые и насадочные имеют большую популярность.

Тарелка с колпачковыми контактными устройствами

Видео: устройство и работа ректификационной колонны

Ректификация: просто о сложном

Сделать спирт не так сложно, как может показаться на первый взгляд: для этого совсем не обязательно быть технологом или специалистом экстра-класса. Чтобы не разочароваться в результате своих трудов, не стоит сразу приступать к практическим экспериментам, не изучив теоретические основы процесса. Время, потраченное на поиск специальной литературы, окупится высоким качеством продукта: даже знатоки ни за что не отличат домашний коньяк из спирта от звездных аналогов. Итак, обо всем по порядку.

Что нужно знать о ректификации?

Ректификация – сложный физический процесс, основанный одновременно на массообмене и передаче тепла от одной фазы к другой. Для осуществления ректификации понадобится противоточная колонна, по высоте которой установлены различные контактные элементы (тарелки или насадки), благодаря которым увеличивается площадь соприкосновения фаз. Если применяются насадки, то флегма стекает по ним тонкой пленкой, а в случае тарелок пар проходит через скопившуюся на них жидкость в виде огромного количества пузырьков. Чем меньше размер этих пузырьков, или больше удельная поверхность насадок, тем интенсивней протекает ректификация. Снизу в колонну подается пар, сверху противотоком стекает образующийся спиртсодержащий дистиллят (флегма), в результате чего пар обогащается низкокипящими компонентами, а флегма – высококипящими.

Основная задача процесса ректификации – разделение смеси на чистые составные компоненты; в нашем случае – получение из спиртсодержащего раствора спирта-ректификата с концентрацией 96% и с минимальным содержанием примесей в готовом продукте.

В процессе ректификации образуются азеотропные смеси (АС) – равновесные системы, состав которых при кипении не изменяется. АС, образующихся на разных уровнях колонны, отличаются друг от друга температурой кипения и соотношением паровой и жидкой фаз.

Промышленные ректификационные установки представляют собой колонны непрерывного действия, в нижнюю часть которых подается 85%-ый раствор спирта и перегретый пар, в результате чего образуется водно-спиртовой пар с концентрацией этилового спирта около 40% (температура кипения 94°С). Двигаясь по колонне снизу вверх, смесь расслаивается на отдельные фракции, которые периодически отбираются с разных высот колонны. Протекание процесса отслеживается с помощью специальной контрольно-измерительной аппаратуры.

Ректификационное оборудование в домашнем самогоноварении

Ректификация в домашних условиях или в лаборатории проводится в периодическом режиме, поэтому необходимость в автоматических приборах контроля отпадает. Для осуществления процесса вполне достаточно простых средств регулировки отбора, термометра, работающего в минимальном интервале температур 40-100°С и обычного манометра, показывающего перепад давления в колонне.

Вопреки расхожему мнению, сделать спирт в домашних условиях не так сложно. Ректификационная установка периодического действия представляет собой куб (емкость для испарения), в верхней грани которого вертикально установлена колонна. Жидкость, заливаемая в куб, подогревается с помощью любого нагревательного элемента (электроплитки или газовой конфорки). Колонна выполнена в виде трубы, заполненной контактными элементами и обмотанной теплоизолирующим материалом. На верхушке колонны размещены несколько патрубков, в которые устанавливаются термометр, конденсатор, охладитель, регулятор отбора. В основании ректификационной колонны устанавливается простейший прибор для измерения перепада давления – манометрическая трубка. Для обеспечения интенсивного охлаждения поднимающейся вверх смеси в конденсатор подается холодная вода.

Как работает периодическая ректификационная установка?

Помещенная в куб жидкость нагревается с помощью внешнего греющего элемента и аккуратно доводится до кипения умеренной интенсивности. Пар по колонне поднимается вверх, и при соприкосновении с холодным конденсатором снова превращается в жидкость. Часть конденсата (флегма) возвращается в колонну, а оставшийся конденсат отводится и собирается в приемную емкость. Интенсивность процесса характеризуется флегмовым числом – отношением количества флегмы к массе отбираемого дистиллята. Это число является переменной величиной и определяется положением регулятора отбора.

Процесс тепло- и массообмена происходит по всей высоте колонны при непосредственном контакте флегмы и поднимающегося пара, содержащего этиловый спирт. На самом высоком уровне накапливается наиболее легкокипящий компонент кубовой жидкости, а ниже, словно по ступенькам, выстраивается линейка фракций с разными температурами кипения (по убыванию). С помощью регулятора отбора эти вещества последовательно отводятся, а по температуре фракции можно легко узнать основной компонент дистиллята. Имея в наличии нужную фракцию ректификата, сделать домашнюю водку из спирта проще простого: остается лишь правильно развести спирт, чтобы его содержание в воде было 40°.

Немного теории

С помощью простой перегонки из жидкости с содержанием спирта 10% можно получить раствор с содержанием этанола 40%; при последующей перегонке – уже 60%-ый раствор. На практике для получения 96%-го спирта требуется 8-10 последовательных перегонок. Теоретической тарелкой (ТТ) называется одна «перегонная» ступень, а количество ТТ совпадает с числом перегонок до получения 96%-го этанола.

При изготовлении ректификационного спирта в домашних условиях растворы чистого этанола практически не перегоняются: чтобы сделать домашний спирт, ректификации подвергается брага или самогон. Кроме спирта в этих жидкостях содержится достаточное количество различных органических примесей, температура кипения которых очень близка к спирту-ректификату. Некоторые компоненты образуют с этанолом устойчивые азеотропные смеси, ухудшая органолептические характеристики продукта. На практике для получения качественного домашнего спирта из подобного исходного сырья количество теоретических тарелок может достигать 30.

От теории к практике

Для обеспечения достаточной площади соприкосновения фаз внутри больших ректификационных колонн устанавливаются тарелки, называемые физическими. На каждой из них происходит интенсивный тепло- и массообмен. Пар в виде мелких пузырьков «пробивается» вверх через слой флегмы, но при этом равновесное фазовое состояние не достигается. Эффективность одной тарелки определяется коэффициентом полезного действия, значение которого колеблется в диапазоне 45-60%, из чего следует, что для достижения равновесного состояния фаз потребуется 2 физических тарелки. Таким образом, количество физических тарелок оказывается вдвое больше, чем теоретических. Некоторые тарелки особой конструкции имеют КПД, близкий к 100% – в этом случае число теоретических и физических тарелок совпадает.

Тарелка vs. насадка

Чтобы интенсифицировать процессы тепло- и массообмена, вместо тарелок можно использовать насадки (кстати, они наиболее эффективны в колоннах малого диаметра). Насадка засыпается внутрь колонны, при этом ее форма может быть совершенно различной (кольца, проволока, пружинки, шарики и т.п.). Обмен теплом и массой между фазами происходит в непрерывном режиме, а равновесие достигается при поднятии паро-спиртовой смеси на определенную высоту колонны. В этом случае определенное значение высоты приравнивается к одной теоретической тарелке. В ректификационных колоннах для лабораторного или домашнего применения высота ТТ оценивается в миллиметрах. С увеличением диаметра колонны высота теоретической тарелки растет экспоненциально, поэтому в промышленных установках насадки практически не применяются.

Начинающие самогонщики, не имея достаточной теоретической подготовки, часто думают, что насадка – это своего рода фильтр, имеющий определенный срок службы. На самом деле, если в ректификационную колонну не попадает пена из куба, то насадка сохраняет свою эффективность бесконечно долго.

Захлебывание ректификационной колонны

Независимо от применяемых контактных элементов, принцип действия колонны один и тот же: пар поднимается вверх, флегма стекает вниз. С увеличением подачи пара из нижней части колонны рано или поздно наступает момент, когда поток флегмы оказывается не в состоянии преодолеть паровой напор, и движение жидкости под действием силы тяжести сначала замедляется, а затем и совсем прекращается. Флегма накапливается на тарелках, и через увеличенный слой не может пробиться пар – колонна захлебывается. Затем жидкость заполняет собой весь внутренний объем колонны и дефлегматора, и выплескивается через специально предназначенный для этого аварийный штуцер. Определить захлебывание можно по характерному булькающему звуку, или через смотровое окно колонны. Чтобы этого не произошло, необходимо строго соблюдать технологические рекомендации производителей оборудования для ректификации в домашних условиях, а если установка кустарного производства – то выдерживать параметры, определенные опытным путем. Скорость подачи пара зависит от диаметра колонны и вида насадки.

При использовании колонн заводского производства и выдерживании требуемых параметров процесса захлебывание может произойти либо в случае засорения нижней части колонны (например, при забросе пены от кипящей в кубе жидкости) или при резком значительном перепаде атмосферного давления, что случается крайне редко.

Флегмовое число

Стремясь ускорить процесс, некоторые начинающие специалисты отбирают большое количество дистиллята, что в конечном счете приводит к ухудшению качества продукта. Как показывает практика, для получения дистиллята должного качества флегмовое число должно быть не менее 3. Это значит, что должно отводиться лишь 25% дистиллята, а оставшееся количество необходимо вернуть в колонну для орошения. Здесь действует простое правило: чем меньше отбирается спирта, тем выше его качество. Для проверки правильности отбора можно пользоваться простым правилом: если через несколько минут после отбора температура в колонне не понизилась, то все сделано верно.

Отличие ректификации и дистилляции

Получив базовые теоретические представления о ректификации, можно легко понять разницу между дистилляцией и ректификацией. В первом случае получается самогон, имеющий в органолептике нотки исходного сырья (виноградная граппа, яблочный кальвадос, можжевеловый джин и т.п.); в результате ректификации образуется нейтральный по аромату продукт, который в дальнейшем может использоваться для приготовления настоек на спирту, наливок, или классической водки.

Как сделать домашнюю водку из спирта?

Для приготовления «правильной» водки достаточно придерживаться простых правил:

– смешение спирта и воды – экзотермический процесс (т.е. происходит с выделением тепла), поэтому при разбавлении нужно добавлять спирт в воду, а не наоборот;
– классика жанра – знаменитая менделеевская формула: две объемные части спирта на три части воды;
– смешивать спирт и воду необходимо интенсивным взбалтыванием с последующим быстрым охлаждением;
– готовую водку желательно выстоять в холодильнике не менее 3 суток.

Читайте также:  Отзывы о самогонном аппарате Cuprum & Steel omega: плюсы и минусы

Напоследок

Если процесс ректификации проведен правильно, то каким бы ни был исходный рецепт, спирт не будет иметь посторонних запахов или привкусов. Продукт можно использовать для приготовления любой алкогольной продукции – водки, наливок, настоек (в том числе медицинских). Для этих целей можно применять специальные красители и ароматизаторы, или готовые концентраты для самых популярных крепких напитков. За качество готовой продукции опасаться не стоит: при приготовлении спирта в домашних условиях можно быть твердо уверенными в том, что в готовом продукте отсутствуют вредные или опасные для здоровья вещества.

Творите, выдумывайте, пробуйте – рано или поздно вы обязательно изобретете рецепт алкогольного напитка, который станет вашей визитной карточкой и предметом восхищения друзей, родственников или коллег!

Устройство и принцип работы ректификационной колонны

Ректификационная колонна разработана почти 200 лет назад и за свою историю исправно послужила людям для получения очищенных жидкостей различного типа.

Основное назначение такой установки – это промышленное производство (нефтепереработка, химическая индустрия, нефтехимия, пивоварение и т.д.).
В быту небольшие устройства активно используют любители качественного самогона. Покупные или самодельные колонны позволяют получить практически чистый спирт в домашних условиях.

Как работает это устройство подробно рассмотрим в данной статье.

Устройство аппарата для перегонки самогона

Ректификационный аппарат колонного типа или просто ректификационная колонна представляет собой вертикально установленный цилиндр, внутри которого с помощью различных устройств и узлов достигается очистка жидкостей.

Важно! Механизм очистки основывается на процессе ректификации, т.е. разделении многокомпоненных смесей в результате теплового и массового обмена контактирующих потоков пара и жидкости.

Любая жидкость неоднородного состава представляет собой смесь нескольких компонентов.

Так самогон является смесью этилового и других спиртов, эфиров, альдегидов, сивушных масел и других веществ:

  1. Каждый компонент имеет свою температуру кипения и удельный вес.
  2. По последнему показателю производится распределение на легкие и тяжелые фракции.
  3. При нагревании до температуры кипения жидкость превращается в пар, который также характеризуется разным удельным весом, определяющим их летучесть.
  4. Жидкости с низкой температурой кипения (низкокипящие) выделяет легколетучий пар, а высококипящие компоненты – труднолетучие пары.

Процесс ректификации основывается на противоположном направлении потоков пара и жидкости (флегмы, образующейся в результате конденсации пара), что видно на схеме.

Пар устремляется вверх, а жидкость скатывается вниз. Эти естественные потоки в вертикальном цилиндре контактируют друг с другом, что по законам физики сопровождается тепловым и массовым обменом, стремящимся уравновесить систему.

  • Пар, поднимаясь по трубе, обогащается легколетучими компонентами, теряя более тяжелые, труднолетучие ингредиенты, которые растворяются и конденсируются в менее нагретой жидкости и устремляются вместе с ней вниз.
  • При достаточной высоте цилиндра до верха должен дойти только один, самый легколетучий пар.
  • Здесь его можно искусственно конденсировать, превращая в однородную жидкость.
  • Жидкость, стекаемая в нижнюю часть, опять подвергается разогреву, и стартует новый цикл ректификации.

Таким образом, обеспечивается многократность процесса, что позволяет, в конце концов, максимально очистить всю жидкость, выделив наиболее легкую фракцию. В нефти это бензин, в самогоне – этиловый спирт.

Принцип работы

Ректификационная колонна позволяет реализовать процесс ректификации на практике. Конструктивно она представляет собой цилиндр, в котором располагается куб, куда подается и где разогревается жидкость, и дефлегматор, где образуется жидкий конденсат (флегма).

Кроме того, предусматриваются контактные элементы, обеспечивающие процесс конденсации, сбора жидкости и повторного испарения.

Работает ректификационная колонна следующим образом:

  1. Куб заполняется исходным сырьем (примерно на 2/3 объема) и разогревается до температуры кипения жидкости.
  2. Испарение поднимается вверх, а встретившись с дефлегматором, частично конденсируется, превращаясь в флегму, которая стекает по стенкам цилиндра вниз.
  3. Данный процесс по мере подъема пара по цилиндру происходит несколько раз, причем вначале конденсируются наиболее тяжелые фракции. До верха колонны доходит самая легкая фракция.
  4. Во время работы установки, в ее цилиндре одновременно находятся пары, флегма, исходное сырье и очищенный, конечный продукт. Пары и флегма создают взаимнопротивоположные потоки.
  5. В начальный период (до стабилизации процесса) рекомендуется не производить отбор конечного продукта, который обогащает флегму и ускоряет достижения равновесного режима тепломассообмена.

Справка! Эффективность работы колонны можно выразить флегмовым числом, т.е. отношением объема флегмы к количеству отводимого готового продукта.

Для стабильной работы установки этот показатель поддерживается на уровне 3, что обеспечивает при обороте не более 25% очищенной жидкости.

Флегма, опустившись вниз, опять нагревается до кипения. Очередная порция пара поднимается вверх, начиная новый цикл.

Если очищается самогон, то в самом низу колонны с самого начала процесса оседают самые тяжелые компоненты (сивушные масла).

Более легкие фракции (метиловый спирт, эфиры, альдегиды) распределяются вдоль трубы. Они постепенно стекают вниз при уравновешивании температуры в течение 9-12 минут. Общая продолжительность разогрева куба составляет 25-55 минут.

Разница между дистилляцией и ректификацией спирта

Наиболее распространенными способами очистки жидкостей являются дистилляция и ректификация. Эти технологии во многом похожи, что порой вызывает совмещение понятий, что совершенно неверно.

  • Дистилляция представляет собой очистку путем нагрева смеси до определенной температуры, когда активно испаряются только низкокипящие фракции, с последующим охлаждением паров для обеспечения их конденсации. Температура разогрева исходного сырья выбирается так, чтобы вскипяла только указанная фракция, при этом высококипящие компоненты не достигают кипения, оставаясь в жидком состоянии. По сути, самогонный аппарат является примером дистиллятора.
  • Ректификация требует нагрева смеси до кипения всей массы с последующим тепломассообменом жидкого и парового потоков. Дистилляция используется, как завершающая стадия, когда отводимый легколетучий пар превращается в жидкость путем конденсации для получения готового продукта.

Принципиальные различия в механизме процесса приводят к тому, что конечный продукт при ректификации имеет значительно более глубокую очистку и высокое качество по сравнению с дистилляцией.

Дело в том, что при дистилляции даже не кипящая жидкость частично испаряется, а значит, в любом случае, определенное количество различных фракций оказывается в очищенной жидкости. Для того чтобы достичь хорошего качества, требуется проведение до 6-7 процедур.

Ректификация обеспечивает получение чистого, однородного продукта за один проход. При очистке самогона указанный эффект существенно сказывается на крепости:

  1. Так при одной дистилляционной перегонке она не превышает 35-40%, при двух – до 50-55%, трех – до 70%.
  2. Крепость 90-95% (спирт) достигается после не менее 5 перегонок.
  3. Ректификационная колонна позволяет получить практически чистый спирт за один цикл. Кроме того при дистилляции сохраняется вкус и запах исходного сырья.

Способ дистилляции имеет и определенные положительные стороны:

  • Даже многочисленные перегонки при соблюдении технологии позволяют терять не более 20-22% жидкости.
  • Потери в ректификационных установках значительно выше – могут достигать 32-35%.
  • Надо отметить и простоту технологии. Ректификация требует значительно более сложного и дорогостоящего оборудования.

Посмотрите видео, в котором опытный самогонщик сравнивает процессы дистилляции и ректификации и дает советы по выбору аппарата для перегонки самогона:

Важные характеристики колонны

Общий принцип конструирования современных ректификационных колонн сохраняется неизменным. Целью совершенствования установок становится повышение производительности, глубины очистки, выхода и стабильности качества конечного продукта.

Решение поставленных задач достигается движением в нескольких направлениях.

Размеры и материалы

Для соблюдения всех технологических режимов важно иметь максимально возможную высоту рабочего цилиндра, а также оптимальное сочетание ее с диаметром.

По размеру различаются:

Для домашних условий необходимы миниатюрные аппараты.

Их высота находится в пределах 1,2-1,6 м. При меньших размерах качественного разделения фракций достичь невозможно. Диаметр трубы может составлять от 3-5 см до 0,3-0,5 м.

Важно! Самый лучший материал для изготовления колонны – нержавеющие сплавы с разрешением использования в пищевой промышленности. Они не выделяют вредных веществ при любых, агрессивных воздействиях.

Нагревательная система

При организации нагрева куба с сырьем важное значение имеют 2 фактора:

  • достаточная мощность,
  • возможность плавной регулировки.

Газовый источник энергии сложно регулировать, а потому чаще используются электрические нагревательные элементы (ТЭНы). Нормальная мощность устанавливается из такого расчета 4 кВт на куб объемом 50 л.

Производительность

Она напрямую связана с мощностью ТЭНов и размеров колонны. Чем быстрее будут передвигаться потоки по трубе, тем выше производительность.

Кроме того, она повышается при использовании непрерывной технологии, для чего предусматриваются специальные приспособления для подачи сырья и своевременного отвода готового продукта.

Качество очистки

Оно зависит от количества одновременно протекающих процессов конденсации за один проход цилиндра, что определяется количеством соответствующих контактных элементов.

В хороших установках устанавливается не менее 7-8 таких зон.

Контроль процесса

Для обеспечения необходимого контроля во всех зонах устанавливаются термометры. Для поддержания стабильного режима монтируется автоматическая система.

Давление

Ректификационный процесс будет протекать нормально при поддержании стабильного внутреннего давления в интервале 725-785 мм.рт.ст.

При этом повышенное давление обеспечивается в нижней части, где накапливаются тяжелые фракции, а минимальное – наверху, куда направляется легкий пар.

В промышленных установках вверху колонны вообще может создаваться вакуум, но наиболее рационально поддерживать нормальное атмосферное давление.

При эксплуатации ректификационных колонн надо учитывать, что наиболее активно процесс протекает при стабилизации условий и равенстве температур встречных потоков.

Быстрота стабилизации режима считается одним из важнейших показателей качественной, современной установки.

Контактные устройства (тарелки и насадки)

Контактные элементы в ректификационной колонне участвуют в формировании баланса жидкости и пара, а также в концентрации пара.

Каждый такой элемент ограничивает определенную зону, в которой протекает своеобразный цикл дистилляции – испарение и последующая конденсация отдельной фракции, при этом часто пара пересекает эту границу и движется вверх, вовлекая в свой поток легколетучие компоненты.

В любой подобной зоне устанавливается определенное равновесие.

Справка! Основной эффект обеспечивается за счет увеличения площади фазных контактов, что активизирует тепловой и массовый обмен.

Основными являются следующие контактные элементы:

  1. Теоретическая тарелка. По сути это сформированная равновесная зона без установки дополнительной детали. Для получения хорошо очищенного алкогольного напитка организуется от 24 до 32 таких зон.
  2. Физическая тарелка. Это реальная деталь тарельчатой формы, в которой накапливается жидкостный слой. Пар вынужденно проходи сквозь него, что проявляется многочисленными пузырьками. Данный вариант обеспечивает достаточно большую контактную площадь. Для получения полноценного, чистого спирта в колонне надо установить до 45-55 физических тарелок.
  3. Насадки. Данные контактные элементы в основном предназначены для обеспечения процесса конденсации пара. Они гораздо меньше, чем тарелки, оказывают сопротивление паровому потоку. В колоннах может использоваться несколько разновидностей – кольцо, сетка, спираль. В самодельных аппаратах нередко ставится «решето» — диск с многочисленными отверстиями. Одним из лучших материалов для насадок считается медь. Можно применить медные сплавы или алюминий.

Тарельчатые контактные элементы монтируются в основном в промышленных колоннах, имеющих большую высоту и достаточный диаметр для их установки.

В бытовых аппаратах (покупных и самодельных) приоритет отдается насадкам, которые можно закрепить в трубе диаметром 4-5 см.

Как добиться лучшего результата?

При эксплуатации ректификационной колонны требуется соблюдать определенные меры, позволяющие добиваться нормального режима ее работы и получения качественного конечного продукта.

Особо следует выделить мероприятия в следующих направлениях.

Исключение «захлебывания» установки

Эта «болезнь» связана с замедлением и прекращением стекания флегмы, что приводит к ее накоплению в цилиндре и блокированию парового потока. В результате «захлебывания» внутри колонны повышается давление, появляется громкое булькание и шум.

Явление может провоцироваться такими причинами:

  1. Превышение допустимой скорости движения парового потока, что может вызываться чрезмерным нагревом жидкости в кубе;
  2. Излишнее наполнение куба исходным сырьем или засоры в нижней зоне трубы;
  3. Слишком маленькое давление в нижней части колонны, что характерно для высокогорных условий;
  4. Повышение напряжения в питающей электросети, что вызывает незапланированное повышение мощности нагревательного элемента;
  5. Нарушения в конструкции или технологии.

Избежать данного неприятного явления помогает установка автоматического контроля и регулирования процесса. Особое внимание уделяется нагреву сырья и наполнению куба.

Своевременное выведение готового продукта и оседающих тяжелых фракций

В первом случае, методика проста – на начальном этапе (до стабилизации температуры и давления) только четверть легколетучих паров конденсируется с конечным продуктом и выводится наружу, а далее – отводится максимальный его объем.

Появление осадка из тяжелых фракций выявлять сложнее. Ориентироваться приходится на запах и цвет жидкости в самом низу колонны.

Правильная подготовка установки к пуску

Перед началом ректификации необходимо проверить состояние аппарата, прежде всего, герметичность колонны. Для проверки перекрывается вывод готового продукта и закачивается холодная вода.

Только убедившись в герметичности установки можно приступать к заливке сырья и нагреву куба.

Не следует ждать от бытового аппарата чудес и замены им самогонного аппарата. Минимальная крепость исходной жидкости должна быть не меньше 30%, в противном случае на выходе не получится продукт, по крепости близкий к чистому спирту.

Важно! Не следует в куб заливать брагу, не прошедшую первичную дистилляцию.

При изготовлении установки своими руками нельзя допускать потери тепловой энергии через корпус колонны. Особенно важно защитить нижнюю часть, т.е. зону до первого дефлегматора.

В качестве теплоизоляции рекомендуется использовать:

  • пенопласт,
  • пеноизол,
  • современные фольгированные утеплители.

Ректификационные колонны позволяют глубоко очистить жидкости или выделить легкую фракцию. В промышленных условиях они находят применения во многих отраслях, в т.ч. с их помощью обеспечивается нефтепереработка, изготавливается качественный спирт.

В домашних условиях такие установки пригодны для получения очень крепких, качественных спиртных напитков из самогона. При правильной эксплуатации они совершенно безопасны и эффективны.

Видео обзор

В самогоноварении роль ректификационной колонны велика — с ее помощью можно получить чистый, качественный и безопасный спирт. К сожалению, устроен этот аппарат довольно сложно.

Разобраться с конструкцией и принципом работы аппарата для перегонки самогона поможет видео:

Принцип работы ректификационной колонны

Ректификационная колонная это довольно сложная система в основе которой лежат физические законы. Зная их, можно эффективно управлять процессом и оптимизировать его при необходимости. Сегодня мы расскажем все о тех принципах, на которых базируется работа современных ректификационных колонн.

Начнем с понятия ректификации. Ректификацией называется процесс разделения жидкостей, состоящих из нескольких составных частей на отдельные компоненты. В основе данного процесса лежит т. н. тепло-массообменные. За счет него происходит разделение веществ. Последние различаются массой и температурой кипения.

Читайте также:  Отзывы о самогонном аппарате Гриналко: плюсы и минусы

В промышленности ректификация используется главным образом при перегонке нефти. Ректификация используется для выделения различных полезных компонент таких как бензин, керосин, солярку и других.

Процесс ректификации

Ректификация протекает при высоких температурах. При их воздействии жидкость, находящаяся внутри специального бака (перегонного куба) начинает постепенно преобразовываться в пар. Пары устремляются вверх по колонне направляясь к теплообменнику (дефлегматору). По пути туда они успевают частично остыть. Остальные достигают цели и уже в теплообменнике охлаждаются до жидкого состояния. Жидкость (флегма) начинает обратный путь в куб.

По пути к дефлегматору пары могут контактировать с медными частями. Это могут быть тарельчатые элементы или специальные наполнители (РПН и СПН). Благодаря взаимодействию С физической точки зрения ректификация представляет собой взаимодействие 2х фаз: жидкой и парообразной. Изначально концентрация веществ максимальна в жидкой фазе, однако в ходе ректификации концентрация компонентов, давление и температура приводятся к равновесию.

Равновесие предполагает выстраивание фракций в виде градиента. В верхней части собираются самые легкие (разделенные) фракции. Температура кипения этих фракций довольно малая и как правило к таким компонентам относят метиловый спирт, уксусный альдегид и эфиры. Что же касается нижней части колонны то здесь напротив собираются самые тяжелые фракции. Как правило их отличает высокая температура кипения. В данном случае речь идет о сивушных маслах. Мы описали лишь статическую картину. По факту же фракции в нижней части колонны

Понятия ректификации

Недоректификат — продукт ректификации крепостью до 96 градусов. Крепость продукта
Спирт-сырец — промежуточный продукт, полученный методом простой (или ускоренной) дистилляции, который можно подвергать дополнительной перегонке в ректификационной

Флегмовое число — характеристика, которая показывает концентрацию спиртовых соединений внутри колонны. Чем выше флегмовое число тем более высокое разделение возможно внутри колонны. В самом начале работы продукт не выводят за пределы колонны. Это делается для того, чтобы повысить концентрацию флегмы внутри и увеличить концентрацию флегмовое соединений внутри колонны и как следствие повысить флегмовое число. Для работы установки флегмовое число должно быть не менее 3.

Теоретические аспекты ректификации

У смесей входящих в состав исходного сырья разная температура кипения. Это говорит нам о том, что эти самые смеси доходят до верхней точки колонны в разные промежутки времени. Вначале выходят вещества с более низкой температурой кипения. К ним можно отнести эфиры, спирты и альдегиды. Потом выходят вещества с более высокой температурой кипения. К ним можно отнести разные тяжелые компоненты такие как сивушные масла. Иными словами Чуть выше мы уже упоминали «равновесие» в контексте в ходе эксплуатации колонны важно учитывать температуру кипения разных примесей входящих в состав исходного сырья. Равновесие — это разделения смесей между паром и жидкостью. Это очень важное понятие поскольку именно в состоянии равновесия происходит наиболее эффективное разделение. Иными словами, разделительная способность колонны определяется ее возможностями поддержания состояния равновесия при разделении смесей. Чтобы поддерживать такое состояние необходимо соблюдение 2х условий:

1) давление отдельных компонентах в смеси должно быть выровнено

2) Температура и концентрация веществ в обоих фазах должна быть выравнены

Соблюдение этого условия можно увидеть на графике.

График показывает соотношение объема водно-спиртовой смеси к объему пара. По оси x показана концентрация спиртов в воде. Что касается оси Y то на ней показана концентрация паров. Синяя прямая отображает точку равновесия, соотношения жидкой и паровой фазы. Данный показатель лучше воспринимать как некую абстракцию поскольку реальная картина отличается соотношения концентрации спиртов в пару. Так, если мы берем бинарную смесь с концентрацией спиртов 10% (бражка), то равновесие будет достигнуто ровно тогда, когда 53%
Можно заметить сразу несколько ступенек на графике:
10-53 53-82 82-88 88-92

Они отображают разделительную способность и берут за основу т. н. точку азеонтропа. Данная точка равна 97,2%. По факту это состояние, при котором кипящая смесь не поддается разделению. Водно-спиртовая смесь с близким значением крепости именуется спирт-ректификат. Исходя из данных графика, чтобы достичь параметров спирта-ректификата спиртовую смесь 10% нужно прогнать по крайней мере 10 раз на дистилляции. На самом деле это довольно хлопотно и экономически невыгодно. По этой причине куда эффективнее использовать ректификационную колонну. Отличие заключается в том, что процесс дистилляции многократно дублируется в разных частях колонны.

Работа ректификационной колонны

Ректификационная колонна (далее РК) это система предназначенная для разделения многокомпонентных жидких смесей на отдельные части разделяя их на основе температуры В составе колонны может быть сразу множество отдельных элементов. К ним можно отнести Контактные устройства

Контактные устройствами так же именуют наполнителями. Они замедляют процесс взаимно обогащения спирта и пара и тем самым повышают разделительную способность колонны. Проще говоря, чем больше наполнителей установлено в колонну, тем эффективнее проходит ректификация.
Контактные поверхности могут быть нескольких типов. Это может быть регулярная проволочная насадка Панченкова или же спирально-призматическая насадка Селиваненко. Так же для этой же цели могут использоваться и контактные устройства тарельчатого типа.

У самогонных аппаратов колонного типа имеется несколько важных показателей которые следует учитывать.

Производительность. Во многом этот параметр зависит от мощности нагрева поскольку именно нагрев провоцирует скорость движения потока пара и флегмы. Здесь важно заметить, что при превышении максимальной производительности колонна захлебывается и прекращает работать. Среднее значение производительности в домашних ректификационных системах составляет 1 литр в час при мощности 1 кВт

Давление. Данный параметр оказывает влияние на температуру кипения жидкостей. Для ректификации должно быть соблюдено условие, согласно которому давление вверху колонны должно быть приближено к атмосферному 720-780 мм.рт.ст. Если это условие не соблюдается снижается плотность паров и увеличивается скорость испарения, а это прямая причина захлеба колонны. Напротив, если давление будет высоким скорость испарения упадет, и работа устройства станет неэффективной. Для того чтобы выровнять давление колонна использует трубку связи с атмосферой.

Исходное сырье. Для ректификации следует использовать спиртосодержащую смесь. Спиртуозность должна варьироваться в диапазоне от 35 до 45%. Иными словами, бражку следует изначально перегнать в спирт-сырец и только после этого его можно подвергнуть ректификации.

Эксплуатация колонны Для начала следует довести концентрацию спиртовых соединений до максимума. Для этого колонне следует дать какое-то время поработать на себя. Общее время такого нагрева может варьироваться от 20 до 60 минут. На протяжении этого времени следует активно следить за показаниями термометра. Колонна достигает стабильности при равной температуре, т. е. если на протяжении 10 минут температура не меняется, то это может говорить о том, что можно начинать отбор.

Вначале отбору подлежат головные фракции. К ним относятся такие примеси как альдегиды, метиловый спирт и эфиры. Сразу за головами начинает выходить тело. Сразу за ним выходят хвосты. Последние практически не содержат спирта и поэтому их довольно просто распознать по запаху. Отбор можно вести на основе процентного содержания веществ. Так головы занимают примерно 5% отбора в то время, как хвосты могут быть более 20%. Так же немаловажно следить за крепостью.

В ходе эксплуатации колонны важно учитывать температуру кипения разных примесей входящих в состав исходного сырья. В ходе стабилизации колонны все фракции выстраиваются в своего рода очередь. В качестве градации здесь используется температура. Рядом с баком она максимальная. По мере удаления от него она понижается. Соответственно зная эту особенность можно вычислить ту примесь которая в текущий момент времени подвергается сбору.

На практике это позволяет повысить точность отбора. По факту теперь мы работаем не просто с абстрактными «головами» или же «хвостами» а с отдельными примесями входящими в состав исходного сырья. Раздельный отбор примесей У каждой примеси имеется своя температура кипения и как следствие для мониторинга примесей находящихся в паровой фазе следует использовать термометр. Так же следует открыть отбор на минимум. При этом начнут постепенно выходить различные примеси. Их можно отслеживать по 2м параметрам: температура кипения (отслеживается на термометре) и объем (отслеживается на основе приемной емкости оснащенной соответствующими отметками).

Основное преимущество ректификационных колонн — это более точечная работа с напитком. Манипулируя примесями входящими в его состав, можно изменять вкусоароматические свойства, а также органолептику напитка. По сравнению с классическими самогонными аппаратами типа дистиллятор, ректификационная колонна позволяет по-новому взглянуть на процесс самогоноварения уделяя больше внимания отдельным мелочам.

Ректификационная колонна своими руками: как работает + инструкция

Чтобы получить чистый самогон, домашние кулинары обычно прибегают к двойной перегонке. В результате выходит качественный продукт без вредных примесей, с приятным вкусом и ароматом.

Еще лучший эффект дает дистилляция в ректификационной колонне. Она позволяет получить максимально очищенный крепкий спирт (94–96%) или водку без дополнительных привкусов и запахов.

При этом минусов у устройства практически нет, за исключением крупных габаритов и необходимости потрудиться над его изготовлением. В том, что ректификационную колонну лучше собирать самостоятельно, сходится большинство опытных самогонщиков.

Конструкция и принцип работы ректификационной колонны

Царга (труба) с наполнителем

Узел отбора спирта

Работает она следующим образом

Находящаяся в перегонной емкости брага нагревается и начинает испаряться. Пары следуют вверх по царге, достигают холодильника и узла отбора, кран которого на начальном этапе закрыт.

Сконденсированные пары (флегма) спускаются обратно по трубе. При этом тяжелые фракции накапливаются внизу, а легкие – вверху. Благодаря насадкам, процессы конденсации и испарения происходят многократно: пары и жидкости непрерывно взаимодействуют.

Этот процесс обмена и представляет собой процесс ректификации. Самые легкие пары с высоким содержанием спирта отводятся в холодильник, где происходит финальная конденсация. В результате в приемную емкость поступает чистый дистиллят.

Расчет параметров и подбор материалов

Прежде чем приступать к сборке колонны, следует определиться с размерами и другими характеристиками аппарата.

Высота царги

Если раньше ректификационные колонны представляли собой многометровые конструкции, то сегодня домашние винокуры пользуются компактными вариантами – около 1,5 метров длиной. Главный принцип, которым следует руководствоваться при расчете габаритов следующий: высота трубы должна быть равна примерно 50 ее диаметрам. Допускаются небольшие отклонения в одну или другую сторону. Однако длина царги не может быть меньше 1 метра. В противном случае часть сивушных масел попадет в отбор, и возникнут трудности с разделением фракций. Увеличение высоты колонны свыше 1,5 метров на качество продукта существенно не влияет, но удлиняет время перегона. К тому же, разместить такую конструкцию в домашних условиях будет проблематично. Оптимальные размеры трубы: длина – 1,3-1,4 м, диаметр – 3–5 см.

Материал и толщина стенок

Идеальным вариантом для царги является пищевая нержавейка: она никак не влияет на состав напитков. Также подойдет медь. Оптимальная толщина стенок находится в пределах 1–2 мм. Больше можно, но это утяжелит конструкцию и увеличит расходы, не принося особой выгоды. К тому же стоит помнить, что в стенках придется делать отверстия.

Вид и параметры насадок

В качестве контактного элемента проще всего использовать бытовые мочалки из нержавейки, которыми чистят посуду. Чтобы проверить качество металла, можно замочить изделие в растворе соли и оставить в нем на сутки: хорошее изделие не заржавеет. Альтернативными вариантами являются стеклянные шарики, камни определенных пород, металлическая стружка. Плотность набивки составляет 250–270 г контактного элемента на 1 л объема колонны.

Объем куба

Емкость для перегонки заполняют на 2/3, при этом количество спиртосодержащей жидкости должно соответствовать 10–20 объемам насадки. Для колонны с диаметром 5 см оптимально использовать бак на 40–80 л, для ширины в 4 см – 30–50 л.

Источник нагрева

Не рекомендуется использование газовой, электрической или индукционной плиты. Первый вариант опасен, остальные не позволяют обеспечить равномерную подачу тепла. Оптимальным вариантом является электронагрев с помощью ТЭНов, которые можно вмонтировать в куб самостоятельно. Мощность элементов зависит от объема куба: на 50 л требуется не менее 4 кВт, на 40 л – не менее 3 кВт и т. д.

Вид теплоизоляционного материала

Он должен выдерживать высокие температуры, быть химически инертным. Обычно используют поролон 3–5 мм толщиной, фторопластовые или силиконовые (но не резиновые!) прокладки.

Вариант состыковки

Если используются резьбовые соединения, может потребоваться герметик. Лучше отдать предпочтение надеванию элементов друг на друга.

Инструкция по изготовлению ректификационной колонны

При создании ректификационной колонны имеет значение каждая мелочь, поэтому следует строго соблюдать все рекомендации. Не лишним будет посмотреть видео сборки.

Металлическую трубу с рекомендованными параметрами разрезают на 2 части примерно равной длины, зачищают края, герметично стыкуют с помощью резьбовых соединений или переходника.

В одну часть, которая будет находиться внизу, засыпают выбранный вид насадок, предварительно установив сетку и упорную шайбу для исключения выпадения материала. Если используются металлические губки (потребуется около 40 шт.), предварительно нарезают их на кусочки по 5 мм. Пружинки следует распределять равномерно, постукивая трубой по твердой поверхности. Засыпав насадку, закрывают трубу сеткой, фиксируют ее шайбой.

Подсоединяют получившуюся конструкцию к перегонному кубу и утепляют ее теплоизоляционным материалом.

Вторую (верхнюю) часть трубы с помощью паяльника соединяют с дефлегматором. В водяном корпусе должно быть 2 патрубка: на ввод и вывод воды. Дефлегматор можно купить или сделать самостоятельно из термоса, скороварки, змеевика, медной трубки (первые варианты предпочтительнее). Например, так: https://youtu.be/D4ZsbbRH6ds

Верхний конец колонны закрывают пробкой/крышкой или запаивают, оставив отверстие для установки атмосферной трубки. Для ее закрепления используют штуцер, конец трубки опускают в воду.

Делают отверстие под патрубок для выхода дистиллята. Оно должно находится на пару сантиметров выше места соединения с нижней частью трубы, под ним устанавливают пластинку для сбора конденсата.

С помощью силиконового шланга подсоединяют к колонне холодильник. Его можно купить или сделать самостоятельно. Для регуляции процесса движения жидкости на шланг крепят зажим от капельницы.

Соединяют охлаждающие элементы между собой: верхнюю часть холодильника с низом дефлегматора, верхнюю часть дефлегматора с канализацией. Таким образом, вода к дефлегматору будет поступать подогретой.

Дополнительно можно установить регулятор потока воды и термометр (для него потребуется дополнительное отверстие в узле отбора).

Можно также разделить царгу на 3 части: такая конструкция считается более вариативной в применении. Подробный процесс сборки колонны можно посмотреть здесь:

Ошибка или есть что добавить?

Ссылка на основную публикацию