Teoria destylacji alkoholu i zasada działania kolumny destylacyjnej

Celem tego artykułu jest analiza teoretycznych i praktycznych aspektów działania domowej kolumny destylacyjnej mającej na celu wytwarzanie etanolu, a także obalenie najczęstszych mitów w Internecie i wyjaśnienie kwestii, o których „sprzedawcy milczą”.

Rektyfikacja alkoholu - rozdzielenie wieloskładnikowej mieszaniny zawierającej alkohol na czyste frakcje (alkohole etylowe i metylowe, wodę, oleje fuzlowe, aldehydy i inne) o różnych temperaturach wrzenia poprzez wielokrotne odparowywanie cieczy i kondensację pary na urządzeniach kontaktowych (płytach lub dyszach) w specjalnych urządzeniach przeciwprądowych.

Z fizycznego punktu widzenia możliwa jest rektyfikacja, ponieważ początkowo stężenie poszczególnych składników mieszaniny w fazie pary i cieczy jest różne, ale układ dąży do równowagi - takie samo ciśnienie, temperatura i stężenie wszystkich substancji w każdej fazie. W kontakcie z cieczą para zostaje wzbogacona w lotne (niskowrzące) składniki, z kolei ciecz zostaje wzbogacona w lotne (wysokowrzące) składniki. Wraz ze wzbogacaniem wymieniane jest ciepło.

Moment kontaktu (interakcji przepływów) pary i cieczy nazywa się procesem przenoszenia ciepła i masy.

Ze względu na różne kierunki ruchów (para unosi się, a ciecz spływa), po osiągnięciu układu równowagi w górnej części kolumny destylacyjnej można osobno wybrać praktycznie czyste składniki, które były częścią mieszaniny. Najpierw wychodzą substancje o niższej temperaturze wrzenia (aldehydy, estry i alkohole), a następnie o wysokiej (oleje fuzlowe).

Stan równowagi. Pojawia się na granicy rozdziału faz. Osiągnięte tylko, jeśli jednocześnie spełnione są dwa warunki:

1. Równe ciśnienie każdego poszczególnego składnika mieszaniny.
2. Temperatura i stężenie substancji w obu fazach (pary i cieczy) są takie same.

Im częściej układ osiąga równowagę, tym bardziej efektywny jest transfer ciepła i masy oraz rozdzielanie mieszaniny na poszczególne składniki.

Różnica między destylacją a destylacją

Jak widać na wykresie, z 10% roztworu alkoholu (zacieru) można uzyskać bimber 40%, a przy drugiej destylacji tej mieszaniny pojawi się destylat 60 stopni, a trzeci - 70%. Możliwe są następujące przedziały: 10-40- 40-60- 60-70- 70-75 i tak dalej maksymalnie do 96%.

Teoretycznie, aby uzyskać czysty alkohol, wymagane jest 9-10 kolejnych destylacji na bimberu. W praktyce destylacja płynów zawierających alkohol o stężeniu powyżej 20-30% jest wybuchowa, a ponadto ze względu na duże nakłady energii i czasu jest ekonomicznie nieopłacalna.

Z tego punktu widzenia destylacja alkoholu to co najmniej 9-10 równoczesnych destylacji stopniowych, które zachodzą na różnych elementach stykowych kolumny (dyszach lub płytkach) na całej wysokości.

Różnica	Destylacja	Rektyfikacja
Napój organoleptyczny	Zachowuje aromat i smak surowców.	Okazuje się, że czysty bezwonny i bez smaku alkohol (problem ma rozwiązanie).
Wyjdź z fortecy	Zależy od ilości destylacji i konstrukcji aparatu (zwykle 40-65%).	Do 96%.
Stopień podziału na frakcje	Niska zawartość substancji miesza się nawet z różnymi temperaturami wrzenia, nie można tego naprawić.	Wysokie, czyste substancje można izolować (tylko o różnych temperaturach wrzenia).
Zdolność do usuwania szkodliwych substancji	Niski lub średni. Aby poprawić jakość, wymagane są co najmniej dwie destylacje z podziałem na frakcje co najmniej jednej z nich.	Wysokie, przy właściwym podejściu, wszystkie szkodliwe substancje są odcinane.
Utrata alkoholu	Wysoki Nawet przy właściwym podejściu można wydobyć do 80% całkowitej ilości przy zachowaniu akceptowalnej jakości..	Niski Teoretycznie realistyczne jest ekstrahowanie całego alkoholu etylowego bez utraty jakości. W praktyce co najmniej 1-3% straty.
Złożoność technologii do użytku domowego	Niski i średni. Pasuje nawet do najbardziej prymitywnych aparatów z cewką. Możliwe są ulepszenia sprzętu. Technologia destylacji jest prosta i bezpośrednia. Bimber nadal zwykle nie zajmuje dużo miejsca w stanie roboczym.	Wysoki Wymagane jest specjalne wyposażenie, którego wytworzenie jest niemożliwe bez wiedzy i doświadczenia. Proces jest trudniejszy do zrozumienia; potrzebne jest przynajmniej przygotowanie teoretyczne. Kolumna zajmuje więcej miejsca (szczególnie na wysokości).
Niebezpieczeństwo (w porównaniu ze sobą), oba procesy są pożarowe i wybuchowe.	Ze względu na prostotę bimbru destylacja jest nieco bezpieczniejsza (subiektywna opinia autora artykułu).	Ze względu na skomplikowany sprzęt, przy pracy, przy której istnieje ryzyko popełnienia większej liczby błędów, poprawianie jest bardziej niebezpieczne.

Działanie kolumny destylacyjnej

Kolumna destylacyjna - urządzenie zaprojektowane do rozdzielania wieloskładnikowej ciekłej mieszaniny na oddzielne frakcje według temperatury wrzenia. Jest to cylinder o stałym lub zmiennym przekroju, wewnątrz którego znajdują się elementy stykowe - płyty lub dysze.

Prawie każda kolumna ma również jednostki pomocnicze do dostarczania początkowej mieszaniny (surowy alkohol), kontrolowania procesu rektyfikacji (termometry, automatyka) i wyboru destylatu - moduł, w którym pewna para substancji ekstrahowana z układu jest kondensowana, a następnie usuwana..

Surowy alkohol - produkt destylacji zacieru metodą klasycznej destylacji, którą można „wlać” do kolumny destylacyjnej. W rzeczywistości jest to bimber o sile 35-45 stopni.

Flegma - para skroplona w chłodnicy zwrotnej spływającej po ściankach kolumny.

Współczynnik refluksu - stosunek liczby wrzenia do masy destylatu. W kolumnie destylacyjnej znajdują się trzy strumienie: para wodna, temperatura wrzenia i destylat (docelowy cel). Na początku procesu destylat nie jest pobierany, tak że w kolumnie pojawia się wystarczająca ilość refluksu do transferu ciepła i masy. Następnie część pary alkoholu skrapla się i pobiera z kolumny, a pozostała para alkoholu nadal wytwarza strumień zwrotny, zapewniając normalne działanie.

Do działania większości instalacji współczynnik refluksu musi wynosić co najmniej 3, tj. Pobierane jest 25% destylatu, reszta jest potrzebna w kolumnie do nawadniania elementów stykowych. Ogólna zasada: im wolniejszy jest alkohol, tym wyższa jest jego jakość.

Urządzenia kontaktowe kolumny destylacyjnej (płytki i dysze)

Odpowiadają za wielokrotne i jednoczesne rozdzielanie mieszaniny na ciecz i parę, a następnie kondensację pary w cieczy - osiągnięcie równowagi w kolumnie. Wszystkie inne rzeczy są równe, im więcej urządzeń kontaktowych jest zaprojektowanych, tym bardziej skuteczna jest rektyfikacja pod względem oczyszczania alkoholu, ponieważ zwiększa się powierzchnia interakcji faz, co intensyfikuje cały transfer ciepła i masy.

Płyta teoretyczna - jeden cykl wyjścia ze stanu równowagi z jego wielokrotnym osiąganiem. Aby uzyskać alkohol wysokiej jakości, wymagane jest minimum 25-30 półek teoretycznych.

Płyta fizyczna - naprawdę działające urządzenie. Para przechodzi przez warstwę cieczy w płycie w postaci wielu pęcherzyków, tworząc rozległą powierzchnię styku. W klasycznej konstrukcji płyta fizyczna zapewnia około połowy warunków do osiągnięcia jednego stanu równowagi. Dlatego do normalnej pracy kolumny destylacyjnej wymagane są dwa razy więcej fizycznych płytek niż teoretyczne (obliczone) minimum - 50-60 sztuk.

Dysze. Często płyty są umieszczane tylko na zakładach przemysłowych. W kolumnach do destylacji laboratoryjnej i domowej dysze są stosowane jako elementy stykowe - specjalnie skręcony drut miedziany (lub stalowy) lub siatki do mycia naczyń. W takim przypadku flegma przepływa cienkim strumieniem po całej powierzchni dyszy, zapewniając maksymalny obszar kontaktu z parą.

Istnieje wiele wzorów. Wadą domowych dysz drutowych jest możliwe uszkodzenie materiału (czernienie, rdza), analogi fabryczne są pozbawione takich problemów.

Właściwości kolumny destylacyjnej

Materiał i wymiary. Cylinder kolumny, dysz, sześcianów i destylatorów jest koniecznie wykonany ze stopu spożywczego, nierdzewnej stali, który jest bezpieczny po podgrzaniu (równomiernie się rozszerza). W domowych strukturach puszki i szybkowary są najczęściej używane jako kostka.

Minimalna długość domowej kolumny destylacyjnej do rur - 120-150 cm, średnica - 30-40 mm.

System grzewczy. W procesie rektyfikacji bardzo ważne jest kontrolowanie i szybkie dostosowanie mocy grzewczej. Dlatego najbardziej udanym rozwiązaniem jest ogrzewanie za pomocą elementów grzejnych zamontowanych w dolnej części sześcianu. Doprowadzanie ciepła przez kuchenkę gazową nie jest zalecane, ponieważ nie pozwala na szybką zmianę zakresu temperatur (duża bezwładność systemu).

Kontrola procesu. Podczas rektyfikacji ważne jest, aby postępować zgodnie z instrukcjami producenta kolumny, które muszą wskazywać cechy operacyjne, moc grzewczą, współczynnik wrzenia i wydajność modelu.

Bardzo trudno jest kontrolować proces rektyfikacji bez dwóch prostych urządzeń - termometru (pomaga określić prawidłowy stopień nagrzania) i miernika alkoholu (mierzy siłę powstałego alkoholu).

Wydajność. Nie zależy to od wielkości kolumny, ponieważ im wyższy car (rura), tym więcej fizycznych płyt znajduje się w środku, dlatego lepsze czyszczenie. Na wydajność ma wpływ moc grzewcza, która determinuje prędkość pary i strumienie zwrotne. Ale przy nadmiarze dostarczonej mocy kolumna dławi się (przestaje działać).

Średnia wydajność domowych kolumn destylacyjnych wynosi 1 litr na godzinę przy mocy grzewczej 1 kW.

Efekt nacisku. Temperatura wrzenia cieczy zależy od ciśnienia. W celu udanej destylacji alkoholu ciśnienie na górze kolumny powinno być zbliżone do atmosferycznego - 720–780 mm Hg. W przeciwnym razie, gdy ciśnienie spadnie, gęstość pary zmniejszy się, a szybkość parowania wzrośnie, co może spowodować zalanie kolumny. Jeśli ciśnienie jest zbyt wysokie, szybkość parowania maleje, co powoduje, że urządzenie jest nieskuteczne (nie dochodzi do rozdzielenia mieszaniny na frakcje). Aby utrzymać prawidłowe ciśnienie, każda kolumna destylacyjna jest wyposażona w rurę komunikacyjną z atmosferą..

O możliwości samodzielnego montażu. Teoretycznie kolumna destylacyjna nie jest bardzo skomplikowanym urządzeniem. Projekty są z powodzeniem wdrażane przez rzemieślników w domu.

Ale w praktyce, bez zrozumienia fizycznych podstaw procesu rektyfikacji, prawidłowego obliczenia parametrów sprzętu, doboru materiałów i wysokiej jakości montażu węzłów, zastosowanie domowej kolumny destylacyjnej zamienia się w niebezpieczne zajęcie. Nawet jeden błąd może doprowadzić do pożaru, wybuchu lub poparzeń..

Pod względem bezpieczeństwa badane kolumny (które mają dokumentację pomocniczą) są bardziej niezawodne, a kolumny są dostarczane z instrukcjami (powinny być szczegółowe). Ryzyko sytuacji krytycznej sprowadza się tylko do dwóch czynników - prawidłowego montażu i działania zgodnie z instrukcją, ale jest to problem dla prawie wszystkich urządzeń gospodarstwa domowego, nie tylko kolumn lub bimberów.

Zasada kolumny destylacyjnej

Kostka jest wypełniona maksymalnie 2/3 objętości. Przed włączeniem urządzenia konieczne jest sprawdzenie połączeń i zespołów pod kątem wycieków, urządzenie do ekstrakcji destylatu jest odcinane i dostarczana jest woda chłodząca. Tylko wtedy kostka może zacząć się nagrzewać.

Optymalna wytrzymałość mieszaniny zawierającej alkohol dostarczanej do kolumny wynosi 35–45%. Oznacza to, że w każdym przypadku przed rektyfikacją wymagana jest destylacja zacieru. Powstały produkt (surowy alkohol) jest następnie przetwarzany na kolumnie, uzyskując prawie czysty alkohol.

Oznacza to, że kolumna do domowej destylacji nie jest kompletnym zamiennikiem klasycznego bimbru (destylator) i może być uważana jedynie za dodatkowy etap oczyszczania, który lepiej zastępuje powtarzaną destylację (druga destylacja), ale eliminuje właściwości organoleptyczne napoju.

Mówiąc uczciwie, zauważam, że większość współczesnych modeli kolumn destylacyjnych wymaga jeszcze pracy w trybie księżyca. Aby przejść do destylacji, wystarczy odłączyć połączenie z atmosferą i otworzyć moduł wyboru destylatu.

Jeśli oba łączniki są jednocześnie zamknięte, podgrzewana kolumna może wybuchnąć z powodu nadciśnienia! Nie popełniaj takich błędów.!

W ciągłych zakładach przemysłowych zacier jest często destylowany natychmiast, ale jest to możliwe ze względu na jego gigantyczny rozmiar i cechy konstrukcyjne. Na przykład rura jest uważana za standardową, o wysokości 80 metrów i średnicy 6 metrów, w której wiele elementów stykowych jest instalowanych wiele razy więcej niż na kolumnach destylacyjnych dla domu.

Po włączeniu ciecz w sześcianie zostaje zagotowana przez grzejnik. Powstała para unosi się w górę kolumny, a następnie wchodzi do chłodnicy zwrotnej, gdzie skrapla się (pojawia się flegma) i wraca na dno kolumny w postaci płynnej wzdłuż ścianek rur, w kontakcie ze wznoszącą się parą na płytach lub dyszach w drodze powrotnej. Pod wpływem grzejnika flegma ponownie staje się parą, a para u góry jest ponownie kondensowana przez chłodnicę zwrotną. Proces staje się cykliczny, oba wątki są w ciągłym kontakcie ze sobą.

Po ustabilizowaniu (para i flegma wystarczą do osiągnięcia stanu równowagi) czyste (oddzielone) frakcje o najniższej temperaturze wrzenia (alkohol metylowy, aldehyd octowy, etery, alkohol etylowy) gromadzą się w górnej części kolumny, a najwyższa (oleje fuzlowe) poniżej. Po wybraniu niższe ułamki stopniowo rosną w górę kolumny.

W większości przypadków kolumna jest uważana za stabilną (można rozpocząć selekcję), w której temperatura nie zmienia się przez 10 minut (całkowity czas nagrzewania wynosi 20-60 minut). Do tego momentu urządzenie działa „samodzielnie”, tworząc pary i przepływy flegmy, które mają tendencję do równoważenia się. Po stabilizacji rozpoczyna się selekcja frakcji głowy zawierającej szkodliwe substancje: estry, aldehydy i alkohol metylowy.

Kolumna destylacyjna nie eliminuje potrzeby rozdzielania produktu wyjściowego na frakcje. Podobnie jak w przypadku tradycyjnego bimbru, musisz zebrać „głowę”, „ciało” i „ogon”. Jedyną różnicą jest czystość wyniku. Podczas destylacji frakcje nie są „smarowane” - substancje o podobnej, ale co najmniej jednej dziesiątej stopnia, różne temperatury wrzenia nie przecinają się, dlatego przy wyborze „ciała” uzyskuje się prawie czysty alkohol. Podczas normalnej destylacji niemożliwe jest fizyczne rozdzielenie produkcji na frakcje składające się tylko z jednej substancji, bez względu na zastosowany projekt.

Jeśli kolumna zostanie ustawiona w optymalny tryb pracy, wówczas nie ma trudności z wyborem „korpusu”, ponieważ temperatura jest zawsze stabilna.

Niższe frakcje („ogony”) podczas destylacji są wybierane na podstawie temperatury lub zapachu, ale w przeciwieństwie do destylacji, substancje te nie zawierają alkoholu.

Powrót alkoholu do właściwości organoleptycznych. Często „ogony” są potrzebne, aby przywrócić rektyfikowanego ducha „duszy” - aromat i smak surowca, na przykład jabłka lub winogron. Po zakończeniu procesu pewną ilość zebranych frakcji ogona dodaje się do czystego alkoholu. Stężenie oblicza się empirycznie, eksperymentując na małej ilości produktu.

Zaletą rektyfikacji jest możliwość wydobycia prawie całego alkoholu zawartego w płynie bez utraty jego jakości. Oznacza to, że „głowice” i „ogony” uzyskane na bimbru nadal można przetwarzać na kolumnie destylacyjnej i uzyskać bezpieczny dla zdrowia etanol..

Zalewanie kolumny rektyfikacyjnej

Każdy projekt ma maksymalną prędkość pary, po czym przepływ flegmy w kostce najpierw zwalnia, a następnie całkowicie się zatrzymuje. Ciecz gromadzi się w części destylacyjnej kolumny i następuje „zalanie” - zakończenie procesu wymiany ciepła i masy. Wewnątrz występuje gwałtowny spadek ciśnienia, pojawia się zewnętrzny hałas lub bulgotanie.

Przyczyny zalania kolumny destylacyjnej:

• przekroczenie dopuszczalnej mocy grzewczej (najczęściej);
• zatkanie dna urządzenia i przelanie kostki;
• bardzo niskie ciśnienie atmosferyczne (typowe dla wyżyn);
• napięcie w sieci jest wyższe niż 220 V - w rezultacie zwiększa się moc elementów grzejnych;
• błędy projektowe i usterki.