Ректификация: углубление в теорию и размышления о практике

Ректификация, которая осуществляется на специальных аппаратах – отличный способ получить чистейший питьевой спирт с высокой крепостью и удивительной мягкостью. Полностью разобраться в том, что такое ректификация не так-то просто. Но ведь самогонщик, который хочет подойти к делу основательно и ответственно,  должен знать о спирте все!

Откуда берется спирт?

Этиловый спирт получается в результате сбраживания пищевого сырья, путем гидролиза растительных материалов или синтетически.

Синтетический метод – гидратация этилена, довольно сложный процесс. Очищают его ректификацией, в итоге получается технический спирт.

Пищевой же спирт получается только из пищевых продуктов, путем сбраживания простых сахаров дрожжами. В химической реакции между сахаром и дрожжами образуется этиловый спирт, углекислый газ и выделяется тепло. Получается спиртосодержащая смесь, с множеством примесей. Примеси частично устраняются путем обычной дистилляции, получается спирт-сырец. Отделить более чистый спирт из сырца можно посредством ректификации.

Что такое ректификация?

Ректификация – процесс тепло- и массообмена, который применяется для разделения жидких смесей на компоненты, различающиеся температурой кипения. Осуществляется данный процесс при условии контактирования потоков жидкости и пара.

Ректификационная колонна

Для организации потоков и взаимодействия жидкости и пара используют специальные аппараты – ректификационные колонны. В такой колонне реализуется процесс тепломассообмена между жидкой флегмой, которая стекает вниз, и паром, поднимающимся вверх. Поток пара создается путем нагревания нижней части колонны, в которой находится жидкая смесь. А вот в верхней части колонны организовывается отвод тепла и конденсация пара, за счет чего получается поток жидкости. По высоте колонны размещаются специальные контактные устройства (КУ), в которых происходит взаимодействие потоков.

Ознакомиться подробно с устройством ректификационной колонны можно в статье «Схема ректификационной колонны».

Процесс тепломассообмена

Именно взаимодействие потоков и является процессом тепломассообмена. В его ходе жидкость и пар непрерывно обмениваются теплом и своими отдельными компонентами. Движущая сила обмена – это стремление жидко и паровой фазы прийти к равновесному состоянию. В итоге флегма обогащается высококипящими компонентами, а пар – низкокипящими.

Равновесное состояние

Состояние равновесия может быть достигнуто при соблюдении двух условий. Первое заключается в том, что температуры фаз и парциальное (отдельное друг от друга) давление каждого их компонента должны быть равны. Второе условие диктует обязательную стабилизацию составов обеих фаз – концентрации компонентов одинаковы в каждой точке объема отдельно взятой фазы.

Равновесное состояние достигается на самой границе раздела фаз. Эффективность тепломасообмена напрямую зависит от того, насколько часто наступает равновесное состояние. Поэтому она (эффективность) резко возрастает при увеличении скорости перемешивания и еще одной хитрости. Но в таком случае может произойти захлебывание ректификационной колонны, если скорость будет слишком большой.

Контактные устройства

Роль такого устройства в ректификационной колонне – обеспечить повторение цикла разделения смеси на жидкость и пар и конденсация пара в жидкость (достижение равновесного состояния). Чем больше КУ в колонне, тем многократнее будут повторяться циклы, что является залогом успешной и максимально эффективной ректификации.

В огромных промышленных ректификационных колоннах используются в качестве КУ специальные «тарелки». Физическая тарелка классической конструкции обеспечивает примерно половину необходимых условий для достижения одного равновесного состояния. На производствах специально рассчитывают необходимое количество циклов тепло- и массообмена для определенных целей и, соответственно, количество тарелок.

«Теоретической тарелкой» традиционно называется один цикл (выход из равновесного состояния и последующее достижение его). То есть «теоретическая тарелка» (ТТ) равна двум физическим тарелкам. Для получения качественного спирта необходимо около 25-30 ТТ.

Атмосферное давление

Работа колонны рассчитана на то, что она будет происходить при внутреннем давлении 720-780 мм.рт.ст. И для поддержания необходимого давления сверху колонны находится атмосферный штуцер. Дело в том, что при уменьшении давления, уменьшается и плотность паров, соответственно, скорость испарения увеличивается, что может привести к захлебыванию колонны. В противоположном случае – при увеличении давления – скорость паров падает, что делает работу колонны неэффективной.

Флегмовое число

Основные массовые потоки в ректификационной колонне разделяются на поток пара, поток флегмы и поток дистиллята. Для обеспечения правильной работы колонны, в начале ректификации дистиллят не отбирается, чтобы внутри колонны скопилось достаточное для тепломассообменного процесса количество флегмы. Это и есть флегмовое число. В дальнейшем, какая-то часть спиртового пара будет конденсироваться и выходить в виде дистиллята, а остальная оставаться в колонне, организуя поток флегмы.

Производительность

Производительность вовсе не зависит от размеров колонны. Длина царги только увеличит степень очистки, ведь это увеличит число ТТ в колонне. Зависит производительность от степени подогрева, ведь именно она определяет скорость движения потоков пара и флегмы (при поддержании стандартного атмосферного давления). Но следует помнить, что скорость эта тоже должна быть строго отрегулирована. Как правило, при мощности 1кВт стандартные домашние самогонные аппараты дают 1л/ч.

Домашняя ректификация

Ректификация спирта в домашних условиях имеет некоторые особенности.

В первую очередь, это, конечно же, наполнение царги контактными устройствами. Вовсе не нужны тарелки, которые устанавливаются в промышленные аппараты из-за большого их диаметра. Великолепно с ролью КУ в домашних ректификаторах справляется специальная насадка Селиваненко – призматические спирали из меди или стали. Одной ТТ равняется определенная высота насадки. Встречаются КУ, сделанные своими руками – либо самостоятельно скрученные кусочки проволоки, либо сетка для мытья посуды. Существенный минус таких кустарных решений – то, что
материал может подвести, почернеть, проржаветь, осыпаться. Специально произведенные сертифицированные насадки возможности таких неприятных происшествий исключают.

Устанавливается ректификационная колонна, как правило, на емкость, которая будет служить перегонным кубом. Это может быть бидон, скороварка, любая другая емкость. Главное, это, конечно же, материал, из которого она сделана. Он должен быть безопасным и нагреваться равномерно.

Нагрев в большинстве моделей домашних ректификаторов осуществляется при помощи вмонтированных в низ перегонного куба ТЭН-ов (трубчатых электронагревателей). Это крайне удобно, делает аппарат мобильным и позволяет регулировать мощность.

Сама колонна, как и наполнитель, и куб, тоже должна быть выполнена из нержавеющего сплава, безопасного при нагревании. Длину и, соответственно, степень очистки спирта можно увеличить благодаря дополнительной царге – полой трубе. Вверху колонны установлена емкость со змеевиком, по которому проходит холодная вода. Именно в этой емкости конденсируется дистиллят, естественно, к ней прикреплена трубка для выхода конечного продукта.

При домашней ректификации необходимо строго следовать инструкции аппарата. Там указаны и рекомендуемая мощность нагрева, и производительность, и флегмовое число. Последнее регулируется очень просто – трубка для выхода конечного продукта перекрывается и ректификационная колонна определенное количество времени (указано в инструкции) работает «на себя». Внутри ее конденсируется флегма.

Для полного контроля процесса ректификации удобно использовать термометр и спиртометр. Первый поможет поддержать нужный уровень нагрева, а с помощью второго отслеживается крепость продукта.

Для получения качественного спирта ректификации должна подвергаться спиртосодержащая смесь крепостью не более 35-45% об. С помощью одного аппарата можно сначала перегнать брагу, а затем ректифицировать полученный спирт-сырец. Ведь атмосферный штуцер, который располагается сверху колонны, позволяет переключиться в режим простой дистилляции – когда он закрыт, давление в колонне увеличивается, что делает поток флегмы слишком медленным для осуществления процесса тепло- и масообмена. К тому же, в ходе обычной дистилляции флегмовое число не набирается специально и оказывается крайне мало.

Осуществляя домашнюю ректификацию, обязательно нужно следовать правилам безопасности: заполнять куб на 2/3, проверить герметичность сборки. Затем  перекрыть отбор (тоже герметично), включить поток охлаждающей воды, после можно начинать нагревать куб.

Благодаря наличию на рынке множества ректификационных колон разного ценового диапазона реализовать перегонку качественного спирта в домашних условиях вполне доступно. Эксперименты с кустарным воспроизведением данного аппарата довольно опасны и требуют профессиональных навыков инженера-физика. Колонну надо не только правильно собрать, но и сделать ее из нетоксичного материала, который подобрать самостоятельно нелегко.

Покупка ректификационной колонны дает возможность получать спирт высочайшей степени очистки собственного производства максимально безопасно и комфортно. Спирт-ректификат нейтрален и подойдет для приготовления множества алкогольных напитков. С его мягкостью идеально будет сочетаться любая вкусоароматическая добавка. Использование его оптимально для приготовления настоек. И, конечно же, настоящая традиционная русская водка имеет в своем составе дистиллированную воду и чистейший спирт-ректификат.