Teoria distilării alcoolului și principiul funcționării unei coloane de distilare

Scopul articolului este de a analiza aspectele teoretice și unele aspecte practice ale funcționării unei coloane de distilare casnică destinate producerii de etanol, precum și de a elimina cele mai comune mituri de pe internet și de a clarifica punctele despre care vânzătorii de echipamente „tac” despre.

Rectificarea alcoolului - separarea unui amestec care conține alcool multicomponent în fracțiuni pure (alcooli etilici și metilici, apă, uleiuri de fusel, aldehide și altele), având puncte de fierbere diferite prin evaporarea repetată a lichidului și condensarea aburului pe dispozitivele de contact (plăci sau duze) în dispozitive speciale cu turn contracurent..

Din punct de vedere fizic, este posibilă rectificarea, deoarece inițial concentrația componentelor individuale ale amestecului în fazele de vapori și lichide este diferită, dar sistemul tinde să se echilibreze - aceeași presiune, temperatură și concentrație a tuturor substanțelor din fiecare fază. La contactul cu lichidul, vaporii se îmbogățesc cu componente volatile (cu fierbere mică), la rândul său, lichidul este îmbogățit în componente volatile (cu fierbere mare). Odată cu îmbogățirea, se schimbă căldura.

Momentul de contact (interacțiunea fluxurilor) de abur și lichid se numește proces de transfer de căldură și masă.

Datorită diferitelor direcții de mișcare (vaporii se ridică în sus și lichidul curge în jos), după atingerea sistemului de echilibru în partea superioară a coloanei de distilare, este posibilă selectarea separată a componentelor practice pure care au făcut parte din amestec. Mai întâi, apar substanțe cu un punct de fierbere mai mic (aldehide, esteri și alcooli), apoi cu un nivel ridicat (uleiuri de fusel).

Stare de echilibru. Apare chiar la limita separației fazelor. Atins numai dacă sunt îndeplinite două condiții în același timp:

1. Presiune egală a fiecărei componente individuale a amestecului.
2. Temperatura și concentrația substanțelor din ambele faze (vapori și lichid) sunt aceleași.

Cu cât sistemul este mai des în echilibru, cu atât este mai eficient transferul de căldură și masă și separarea amestecului în componente individuale.

Diferența dintre distilare și distilare

După cum se poate observa în grafic, de la 10% soluție alcoolică (mash) puteți obține o lună de 40%, iar cu a doua distilare a acestui amestec, va apărea un distilat de 60 de grade, cu al treilea - 70%. Sunt posibile următoarele intervale: 10-40- 40-60- 60-70- 70-75 și așa mai departe până la un maxim de 96%.

Teoretic, pentru a obține alcool pur, sunt necesare 9-10 distilări consecutive pe lună. În practică, distilarea lichidelor care conțin alcool cu ​​o concentrație de peste 20-30% este explozivă, în plus, din cauza cheltuielilor mari de energie și timp, nu este profitabil din punct de vedere economic.

Din acest punct de vedere, distilarea alcoolului este de minimum 9-10 distilări simultane, în trepte, care apar pe diferite elemente de contact ale coloanei (duze sau plăci) pe întreaga înălțime.

distincție	distilare	rectificare
Băutură organoleptică	Păstrează aroma și gustul materiilor prime.	Se dovedește alcool pur inodor și fără gust (problema are o soluție).
Iesire din cetate	Depinde de cantitatea de distilare și de proiectarea aparatului (de obicei 40-65%).	Până la 96%.
Gradul de separare în fracții	Substanțele scăzute se amestecă chiar și cu diferite puncte de fierbere, este imposibil de remediat.	Substanțe înalte, pure, pot fi izolate (numai cu diferite puncte de fierbere).
Capacitatea de a elimina substanțele dăunătoare	Scăzut sau mediu. Pentru a îmbunătăți calitatea necesită cel puțin două distilări cu separarea în fracțiuni a cel puțin uneia dintre ele.	Înalt, cu o abordare corectă, toate substanțele nocive sunt tăiate.
Pierderea alcoolului	Înaltă. Chiar și cu o abordare corectă, se poate extrage până la 80% din cantitatea totală menținând o calitate acceptabilă..	Scăzut. Teoretic, este realist să extragem tot alcoolul etilic fără a pierde calitatea. În practică, pierderi minime de 1-3%.
Complexitatea tehnologiei de uz casnic	Scăzut și mediu. Se potrivește chiar cu cel mai primitiv aparat cu o bobină. Sunt posibile îmbunătățiri ale echipamentelor. Tehnologia de distilare este simplă și simplă. Lună de sol nu ocupă, de obicei, mult spațiu în condiții de lucru.	Înaltă. Este necesar un echipament special, care este imposibil de fabricat fără cunoștințe și experiență. Procesul este mai greu de înțeles, este nevoie de cel puțin o pregătire teoretică. Coloana ocupă mai mult spațiu (în special în înălțime).
Pericol (în comparație între ele), ambele procese sunt incendiare și explozive.	Datorită simplității luminii lungi, distilarea este oarecum mai sigură (opinia subiectivă a autorului articolului).	Datorită echipamentului complex, atunci când lucrați cu care există riscul de a face mai multe greșeli, rectificarea este mai periculoasă.

Funcționarea coloanei de distilare

Coloana de distilare - dispozitiv conceput pentru a separa un amestec lichid multicomponent în fracții separate prin punctul de fierbere. Este un cilindru cu secțiune transversală constantă sau variabilă, în interiorul căruia se află elemente de contact - plăci sau duze.

Aproape fiecare coloană are, de asemenea, unități auxiliare pentru furnizarea amestecului inițial (alcool brut), pentru a controla procesul de rectificare (termometre, automatizare) și selecția distilatului - un modul în care se condensează o anumită vapoare de substanță extrasă din sistem și apoi este extrasă..

Alcool brut - un produs de distilare a mashului prin metoda distilării clasice, care poate fi „turnată” într-o coloană de distilare. De fapt, este moonshine cu o putere de 35-45 de grade.

flegmă - abur condensat în condensatorul de reflux care curge pe pereții coloanei.

Raportul de reflux - raportul dintre numărul de reflux și masa de distilat luat. În coloana de distilare există trei fluxuri: abur, reflux și distilat (ținta finală). La începutul procesului, distilatul nu este luat, astfel încât să apară suficient reflux în coloană pentru transferul de căldură și masă. Apoi, o parte din vaporii de alcool este condensată și preluată din coloană, iar vaporii de alcool rămași continuă să creeze un flux de reflux, asigurând o funcționare normală.

Pentru funcționarea majorității instalațiilor, raportul de reflux trebuie să fie de cel puțin 3, adică 25% din distilat este luat, restul este necesar în coloană pentru irigarea elementelor de contact. Regula generală: cu cât este mai lent consumul de alcool, cu atât calitatea este mai mare.

Dispozitive de contact cu coloana de distilare (plăci și duze)

Sunt responsabili de separarea multiplă și simultană a amestecului în lichid și abur, urmată de condensarea vaporilor în lichid - atingerea echilibrului în coloană. Alte lucruri fiind egale, cu cât sunt concepute mai multe dispozitive de contact, cu atât rectificarea este mai eficientă în ceea ce privește purificarea alcoolului, deoarece suprafața interacțiunii fazelor crește, ceea ce intensifică întregul transfer de căldură și masă.

Placă teoretică - un ciclu de ieșire din starea de echilibru cu realizarea sa repetată. Pentru a obține alcool de înaltă calitate este nevoie de minimum 25-30 de plăci teoretice.

Placă fizică - un dispozitiv cu adevărat de lucru. Aburul trece prin stratul lichid din farfurie sub formă de multe bule creând o suprafață de contact extinsă. În designul clasic, placa fizică oferă aproximativ jumătate din condițiile pentru a atinge o stare de echilibru. Prin urmare, pentru funcționarea normală a unei coloane de distilare, sunt necesare de două ori mai multe plăci fizice decât minimul teoretic (calculat) - 50-60 de bucăți.

duze. Adesea, plăcile sunt așezate numai pe uzinele industriale. În coloanele de distilare de laborator și de casă, duzele sunt utilizate ca elemente de contact - special sârmă de cupru răsucită (sau oțel) sau plase de spălat vase. În acest caz, flegma curge într-un flux subțire pe întreaga suprafață a duzei, asigurând zona de contact maximă cu abur.

Există o mulțime de modele. Dezavantajul duzelor de sârmă de casă este o posibilă deteriorare a materialului (înnegrire, rugină), analogii din fabrică lipsind astfel de probleme.

Proprietățile coloanei de distilare

Material și dimensiuni. Cilindrul coloanei, duzele, cubul și distilatoarele sunt neapărat fabricate din aliaj alimentar, inox, care este sigur atunci când este încălzit (se extinde uniform). În structurile de casă, conservele și aragazurile sub presiune sunt cel mai adesea folosite ca cub.

Lungimea minimă a coloanei de distilare a conductei - 120-150 cm, diametru - 30-40 mm.

Sistem de încălzire. În procesul de rectificare, este foarte important să controlați și să reglați rapid puterea de încălzire. Prin urmare, cea mai de succes soluție este încălzirea cu ajutorul elementelor de încălzire montate în partea inferioară a cubului. Alimentarea cu căldură printr-o sobă cu gaz nu este recomandată, deoarece nu vă permite să schimbați rapid intervalul de temperatură (inerție ridicată a sistemului).

Controlul procesului. În timpul rectificării, este important să urmați instrucțiunile producătorului de coloane, care trebuie să indice caracteristicile de funcționare, puterea de încălzire, raportul de reflux și performanța modelului.

Este foarte dificil să controlați procesul de rectificare fără două dispozitive simple - un termometru (ajută la determinarea gradului corect de încălzire) și un contor de alcool (măsoară rezistența alcoolului rezultat).

productivitate. Nu depinde de dimensiunea coloanei, deoarece cu cât țarul (țeava) este mai mare, cu atât sunt mai multe plăci fizice în interior, deci o mai bună curățare. Performanța este afectată de puterea de încălzire, care determină viteza fluxurilor de abur și reflux. Dar cu un exces de putere furnizat, coloana se sufocă (nu mai funcționează).

Performanța medie a coloanelor de distilare a locuinței este de 1 litru pe oră cu o putere de încălzire de 1 kW.

Efect de presiune. Punctul de fierbere al lichidelor depinde de presiune. Pentru distilarea cu succes a alcoolului, presiunea din partea superioară a coloanei trebuie să fie apropiată de atmosferică - 720-780 mm Hg. În caz contrar, atunci când presiunea scade, densitatea de vapori va scădea și rata de evaporare va crește, ceea ce poate provoca inundarea coloanei. Dacă presiunea este prea mare, rata de evaporare scade, ceea ce face ca dispozitivul să fie ineficient (nu există separarea amestecului în fracții). Pentru a menține presiunea corectă, fiecare coloană de distilare de distilare este echipată cu o conductă de comunicare în atmosferă..

Despre posibilitatea de asamblare de casă. Teoretic, o coloană de distilare nu este un dispozitiv foarte complex. Proiectele sunt implementate cu succes de meșterii de acasă.

Dar, în practică, fără a înțelege fundamentele fizice ale procesului de rectificare, calculul corect al parametrilor echipamentului, selecția materialelor și asamblarea de înaltă calitate a nodurilor, utilizarea unei coloane de distilare de origine se transformă într-o ocupație periculoasă. Chiar și o greșeală poate duce la un incendiu, o explozie sau arsuri..

În ceea ce privește siguranța, coloanele testate (care au documentație justificativă) sunt mai fiabile, iar coloanele sunt furnizate cu instrucțiuni (trebuie detaliate). Riscul unei situații critice se reduce la doar doi factori - asamblarea și funcționarea corespunzătoare conform instrucțiunilor, dar aceasta este o problemă pentru aproape toate aparatele de uz casnic, nu doar coloane sau linii lunare.

Principiul coloanei de distilare

Cubul este umplut cu maximum 2/3 din volum. Înainte de a porni unitatea, este obligatoriu ca îmbinările și ansamblurile să fie verificate dacă există scurgeri, unitatea de extracție a distilatului este oprită și apa de răcire este furnizată. Abia atunci cubul poate începe încălzirea.

Rezistența optimă a amestecului conținând alcool furnizat coloanei este de 35-45%. Adică, în orice caz, distilarea mash-ului este necesară înainte de rectificare. Produsul rezultat (alcool brut) este apoi prelucrat pe o coloană, obținând alcool aproape pur.

Aceasta înseamnă că o coloană de distilare la domiciliu nu este o înlocuire completă pentru clasa lunară clasică (distilator) și poate fi considerată doar ca o etapă suplimentară de purificare care înlocuiește mai bine distilarea repetată (a doua distilare), ci elimină proprietățile organoleptice ale băuturii.

În echitate, remarc faptul că majoritatea modelelor moderne de coloane de distilare implică funcționarea în modul de lună lună. Pentru a merge la distilare, trebuie doar să opriți conexiunea la atmosferă și să deschideți unitatea de selectare a distilatului.

Dacă ambele armături sunt închise în același timp, o coloană încălzită poate exploda din cauza suprapresiunii! Nu faceți astfel de greșeli.!

În instalațiile industriale continue, mash-ul este deseori distilat imediat, dar acest lucru este posibil datorită dimensiunii sale gigantice și a caracteristicilor de design. De exemplu, o conductă este considerată a fi standard, înălțimea de 80 de metri și diametrul de 6 metri, în care multe elemente de contact sunt instalate de mai multe ori mai mult decât pe coloane de distilare pentru o casă.

După pornire, lichidul din cub este adus la fierbere de încălzitor. Aburul rezultat se ridică în sus pe coloană, apoi intră într-un condensator de reflux unde se condensează (apare flegma) și se întoarce în partea de jos a coloanei în formă lichidă de-a lungul pereților conductelor, în contact cu aburul în creștere pe plăci sau duze la întoarcere. Sub influența încălzitorului, refluxul devine din nou abur, iar aburul din vârf este din nou condensat de un condensator de reflux. Procesul devine ciclic, ambele fire sunt în contact continuu între ele.

După stabilizare (aburul și flegma sunt suficiente pentru o stare de echilibru), în partea superioară a coloanei se acumulează fracții pure (separate) cu cel mai mic punct de fierbere (alcool metilic, aldehidă acetică, eteri, alcool etilic), cu cele mai mari (uleiuri de fusel). În timp ce selectați, fracțiile inferioare cresc treptat coloana.

În cele mai multe cazuri, o coloană este considerată stabilă (selecția poate începe), în care temperatura nu se schimbă timp de 10 minute (timpul total de încălzire este de 20-60 minute). Până în acest moment, dispozitivul funcționează „singur”, creând fluxuri de aburi și flegme care tind să se echilibreze. După stabilizare, începe selecția fracției capului care conține substanțe nocive: esteri, aldehide și alcool metilic.

O coloană de distilare nu elimină necesitatea de a separa ieșirea în fracții. La fel ca în cazul unui lunar convențional, trebuie să colectați „capul”, „corpul” și „coada”. Singura diferență este puritatea producției. În timpul distilării, fracțiunile nu sunt „lubrifiate” - substanțe cu un grad similar, dar cel puțin o zecime de grade, diferite puncte de fierbere nu se intersectează, prin urmare, atunci când selectați un „corp”, se obține alcool aproape pur. În timpul distilării normale, este imposibil să separe fizic producția în fracțiuni constând dintr-o singură substanță, indiferent de ce design este utilizat.

Dacă coloana este adusă în modul de funcționare optim, atunci nu există nicio dificultate în selectarea „corpului”, deoarece temperatura este întotdeauna stabilă.

Fracțiile inferioare („cozi”) în timpul distilării sunt selectate în funcție de temperatură sau miros, dar spre deosebire de distilare, aceste substanțe nu conțin alcool.

Revenirea alcoolului la proprietățile organoleptice. Adesea, „cozile” sunt necesare pentru a readuce spiritul redresat în „suflet” - aroma și gustul materiei prime, de exemplu, măr sau struguri. După finalizarea procesului, se adaugă o anumită cantitate de fracții de coadă colectate la alcoolul pur. Concentrația este calculată empiric prin experimentarea unei cantități mici de produs.

Avantajul rectificării este capacitatea de a extrage aproape tot alcoolul conținut în lichid fără a-și pierde calitatea. Aceasta înseamnă că „capetele” și „cozile” obținute pe lună pot fi prelucrate încă pe o coloană de distilare și se poate obține etanol sigur pentru sănătate..

Inundarea coloanelor de rectificare

Fiecare proiect are o viteză maximă de abur, după care fluxul de flegmă în cub se încetinește mai întâi, apoi se oprește complet. Lichidul se acumulează în partea de distilare a coloanei și are loc „inundarea” - încetarea procesului de transfer de căldură și masă. În interior are loc o scădere puternică a presiunii, apare zgomotul străin sau zgomotul.

Motivele inundării coloanei de distilare:

• depășirea puterii de încălzire admise (cel mai frecvent);
• înfundarea fundului dispozitivului și revărsarea cubului;
• presiune atmosferică foarte mică (tipică pentru zonele înalte);
• tensiunea în rețea este mai mare de 220V - ca urmare, puterea elementelor de încălzire crește;
• erori de proiectare și defecțiuni.