Спиртова ректифікаційна колона своїми руками. Робимо колону ректифікації своїми руками — покрокова інструкція
Для того щоб зрозуміти сутність процесів, що протікають всередині колони ректифікації, рекомендуємо вам звернутися до про спиртових колонах. У ній розкрито теорію отримання етанолу, якість якого наближена до максимального.
Сьогодні ж ми поговоримо про конструкцію домашнього ректифікатора і про те, як цей пристрій можна виготовити своїми руками.
Перед тим як розпочати створення ректифікаційної (насадкової) колони (РК), необхідно придбати підходящий матеріал. Відразу слід зазначити, що всілякі кольорові метали слід виключити з конструкції пристрою: ніяких сплавів з міді, ніякого харчового алюмінію і тому подібних матеріалів. Тільки нержавіюча сталь - хімічно інертний сплав, не схильний до корозії і не виділяє отруйних домішок у процесі ректифікації.
На сторінках FORUMHOUSE можна зустріти чимало порад щодо використання міді в конструкції ректифікаторів і дистиляторів. Але якщо почитати, то ще більше можна знайти людей, які не згодні з подібними думками. Пояснюється все досить просто: гарячий спирт дуже сильний розчинник. Тому контакт гарячих спиртовмісних рідин з будь-якими кольоровими металами вкрай небажаний і навіть небезпечний для здоров'я.
beutiflet Користувач FORUMHOUSE
Тільки скло, силікон та нержавіюча сталь.
Робоча схема РК
На малюнку зображено схему стандартної РК, розібравшись з якою, ви зможете самостійно зібрати домашній ректифікатор.
Розглянемо основні елементи конструкції докладніше.
Перегінний куб
Як перегінний куб може бути використана будь-яка металева ємність, виготовлена з нержавіючої сталі і має відповідний обсяг.
Що стосується обсягу: хтось використовує звичайну скороварку (з уже вбудованим підігрівом), а у когось вимоги дещо вищі. У цілому нині, кожен орієнтується на потреби.
viktor50 Користувач FORUMHOUSE
Скороварка дуже мала, потрібна ємність хоча б на 15-20 літрів. Процес ректифікації займає багато часу і отримати літр за півдня – не кошерно.
Що стосується підігріву колони: найпростіший (але не дуже практичний) варіант полягає у встановленні перегінного куба на електричну або газову плиту. Справа в тому, що колона має порівняно більшу висоту, тому буде краще, якщо перегінний куб стоятиме на підлозі (а не на плиті).
Встановити куб безпосередньо на підлогу дозволяє електричний підігрів, який робить конструкцію РК менш громіздкою, а всю установку максимально зручною в експлуатації.
тимофей1
Потрібно уникнути газу на електрику – простіше регулювати, і висота додається! Врізав тен у флягу, регулятор напруги від телевізора підключив і вперед.
Як би там не було, при підігріві вихідної сировини має бути забезпечене плавне регулювання потужності нагрівального елемента. Інакше вся витівка буде приречена на провал.
Багато користувачів, намагаючись удосконалити конструкцію РК, оснащують пристрій автоматичними системами контролю, а також складними регуляторами. Але якщо ви звикли контролювати процес самостійно (а у випадку з саморобною колоною ректифікації на перших порах у вас по-іншому і не вийде), то установка автоматичної системи контролю не є крайньою необхідністю. Доки у вас не з'явиться достатній досвід в області домашньої ректифікації, простенького регулятора потужності, включеного в ланцюг одного з наявних електронагрівачів, буде цілком достатньо.
тимофей1
У мене три тени від радянського чайника – 1.25 кв. ЛАТР, показаний на фото, чудово регулює один тен.
Процес ректифікації у разі проводиться з допомогою одного (регульованого) ТЭНа. Інші 2 необхідні, тільки, для нагрівання.
Якщо ви вже встигли насолодитися візуальним сприйняттям процесу, а брак часу не дозволяє постійно перебувати біля працюючої РК, то система автоматики, впроваджена в конструкцію пристрою, дозволить контролювати процес, вимагаючи мінімальної участі людини. Автоматика дозволяє проводити відбір вмісту перегінного куба, не допускаючи попадання хвостових фракцій у тіло продукту. Існують вже готові технічні рішення, які можна придбати у спеціалізованих магазинах. Подібні системи, реагуючи на зміну температури, у потрібний момент перекривають вузол відбору дистиляту або, навпаки, відкривають доступ холодної води до дефлегматора.
Ректифікаційна царга
Ректифікаційна царга включає відразу кілька складових:
- Труба з утеплювачем та насадкою.
- Дефлегматор із вузлом відбору дистиляту, водяною сорочкою та термометром.
- Штуцер для зв'язку із атмосферою.
Враховуючи, що пари спирту дуже легко спалахують, отвір для зв'язку з атмосферою (який обов'язково створюється вгорі колони ректифікації) необхідно оснастити штуцером і гумовою трубкою. Кінець трубки слід опустити в ємність із водою. Це допоможе запобігти поширенню пари всередині приміщення та їх запалення.
Розглянемо конструкцію перерахованих вузлів.
Труба (насадкова колона)
У нижній трубі колони ректифікації відбувається процес тепломасообміну. В її внутрішній простірміститься спеціальний наповнювач, що збільшує площу контакту між гарячою парою і остигає флегмою. При самостійному виготовленні колони як наповнювач (насадки) найпростіше використовувати мочалки для миття посуду, виготовлені з нержавіючої сталі. Іноді використовується спеціальний скручений дріт (теж з нержавіючої сталі).
Якщо як наповнювач ви використовуєте металеві мочалки, то якість їх виготовлення попередньо слід перевірити. Для цього необхідно відрізати шматочок мочалки та прокип'ятити його в розчині столової солі. Якщо замість нержавіючої сталі до складу мочалок входить інший сплав, то вироби не зможуть витримати подібного випробування та швидко поіржавіють. Розрізати мочалку слід обов'язково. Адже якщо вона має захисне покриття, то тільки в такий спосіб можна оголити її внутрішню структуру.
Щільність набивання має відповідати показнику - 250-280 г насадки на один літр внутрішнього об'єму колонки.
Якість поділу киплячої фракції безпосередньо залежить від розмірів насадкової труби. Розглянувши практичні напрацювання користувачів FORUMHOUSE, можна зробити висновок про те, що мінімальний діаметр труби повинен дорівнювати 32 мм. Загалом, що вище труба, то якісніше йтиме поділ фракцій. Оптимальна висота труби повинна відповідати 40-60 її діаметрам (мінімум 20-ти). Зовні трубу слід утеплити шаром захисного матеріалу.
belor44 Користувач FORUMHOUSE
У внутрішню порожнину труби (згори та знизу) встановлюється металева сітка для утримання наповнювача.
belor44
У мене в колоні для НДРФ наповнювач – мочалки. При цьому стоять сітки від ситечка чайного. Тиск стабільний. Метрова колона діаметром 35 мм видає недоректифікат міцністю 96% зі швидкістю 950 мл за годину. Жодних захлинів немає.
Низ та верх ректифікаційної труби, як правило, оснащується різьбленням, яке дозволяє приєднувати агрегат до перегінного куба і до дефлегматора.
Дефлегматор
Основне призначення дефлегматора – це конденсація та відділення легких фракцій, що мають нижчу (стосовно флегми) температуру кипіння. Насправді дефлегматор може мати різне конструктивне виконання. Найбільш простим у виготовленні визнано дефлегматор прямоточного (сорочкового) типу або, як його ще називають, холодильник-конденсатор. Він складається із двох труб різного діаметраміж ними сорочка охолодження з проточною водою.
По суті, прямоточний дефлегматор є трубою з нержавіючої сталі, яка вварена в іншу трубу з того ж самого матеріалу (тільки більшого діаметру). Зовні пристрій виглядає, як на зображенні.
На фото видно, що дефлегматор має два штуцери (для підведення та відведення охолоджуючої рідини) та трубку для зв'язку з атмосферою (вгорі). При цьому внизу дефлегматора розташований штуцер для відбору дистиляту.
Щоб уникнути появи сторонніх домішокта запахів у складі кінцевого продукту, для відбору дистиляту рекомендується використовувати лише силіконові трубки.
Виготовити корпус дефлегматора можна з нержавіючих труб або звичайного харчового термоса і додаткової внутрішньої труби. Діаметр внутрішньої труби, як правило, дорівнює діаметру насадкової колони. Якщо у вас немає доступу до аргонового зварювання, скріплювати елементи конструкції можна за допомогою звичайного паяльника.
Вузол відбору дистиляту, розташований у самому низу дефлегматора, є фігурною шайбою, ввареною у внутрішню трубу пристрою.
У вузлі відбору заздалегідь необхідно зробити отвори термометра (якщо його планується використовувати) і для трубки відбору.
Необхідність застосування термометрів у конструкцію РК – питання спірне. Люди «бували» часто обходяться взагалі без термометрів. При цьому зустрічаються такі перегонники, які, навпаки, вимірюють температуру там, де це потрібно робити, і там, де в цьому немає потреби. Наприклад, встановлення термометра в корпус перегінного куба дозволяє лише проконтролювати процес нагріву. Тобто, спостерігаючи за ним, ви можете приблизно орієнтуватись – скільки часу залишилося до закипання колони.
Але є в РК два конструктивні вузли, де контроль над температурою приносить відчутну практичну користь. Це вихідний патрубок дефлегматора та вузол відбору дефлегматора (замість вузла відбору для встановлення термометра можна використовувати простір між насадковою колоною та дефлегматором).
Якщо на виході з дефлегматора допустити зниження температури проточної води нижче 45°С, то поділ фракцій відбуватиметься не дуже ефективно (за рахунок переохолодження флегми). Якщо температура буде вищою за 55°С, то в процесі відбору «тіла» в трубку відбору прориватимуться «хвости».
Контроль температури у вузлі відбору дозволяє визначити температуру пари на виході з насадкової колони, а разом з цим дає розуміння того, відділення якої саме фракції відбувається в даний час. Наприклад, якщо температура пари у вузлі відбору буде в межах – 77,5-81,5°С (залежно від атмосферного тиску), то трубку відбору дистиляту потраплятиме виключно «тіло» продукту.
Siberiafish Користувач FORUMHOUSE
Температура у процесі перегону трималася у діапазоні 78.8-81.3. Перед завершенням почала скакати.
Внутрішній кінець трубки термометра, впаяний у колону, слід заглушити.
Для того щоб дефлегматор рівномірно охолоджувався з усіх боків, в сорочку охолодження можна впаяти шнекову спіраль, яка задасть правильний напрямок потоку, що охолоджує.
А ось яку конструкцію дефлегматора пропонує один із користувачів нашого порталу.
тимофей1 Користувач FORUMHOUSE
Два метри гофри намотав у деф – 3 літри на годину знімає!
Конструкція цього пристрою виглядає так.
У більшості випадків гофра, яка пропускає через себе проточну воду, обмотується навколо внутрішньої труби дефлегматора (на малюнку вона не показана). Але такий підхід не завжди дозволяє досягти ефективного теплообміну. Доцільність застосування подібної конструкціїможна визначити лише практичним шляхом.
Насправді можна зустріти дефлегматори найрізноманітнішого виконання (зокрема, і горизонтальні устрою). Ми описали лише найпоширеніші.
Розміри дефлегматора
Основною величиною, що визначає габарити пристрою, є площа зіткнення пари з поверхнею, що охолоджується. Ця величина часто визначається досвідченим шляхом. Залежить вона від потужності, що подається на колону, і від температури охолоджуючої рідини.
тимофей1
Ректифікаційна колона, зроблена мною два тижні тому, видає 1200 мл спирту на годину. Можна більше, але охолодження не вистачає! Потужність, що підводиться на розгоні - 3.5 кВт, на перегоні - 1.25 кВт.
Вихід продукту завжди пропорційний потужності, що підводиться. Наприклад, якщо підводиться до куба потужність (у процесі ректифікації) дорівнює 700 Вт, то максимальна продуктивність колони дорівнюватиме 700 мл/годину (на практиці за такої потужності ми маємо – 300-500 мл/годину). Площа дефлегматора за такої продуктивності повинна дорівнювати – 200-300 см². Такою площею має внутрішня труба дефлегматора, що має довжину 300 мм та товщину – 32 мм.
Doobik Користувач FORUMHOUSE
Швидкість перегонки насамперед залежить від сили нагріву. Якщо плита може викип'ятити з браги 1 л на годину, то який би не був апарат, 2 л на годину ви вже не отримаєте. Чим чистіший і міцніший продукт, тим повільніше перегонка. Сам апарат може гальмувати процес тільки в одному випадку - маленька потужність дефлегматора, тобто коли доводиться зменшувати нагрівання для нормальної роботи апарату. Чим більший діаметр, тим більша площа теплопередачі, і тим краще теплознімання.
З усього вищесказаного можна зробити висновок, що краще мати дефлегматор, що має розміри, що перевищують розрахункові. Адже надмірна площа охолодження ніколи не призведе до припинення утворення конденсату, а отже, і до припинення ректифікації.
До речі, в Інтернеті можна знайти калькулятор для розрахунку дефлегматора, який допоможе вам зорієнтуватися щодо розмірів пристрою, що виготовляється.
Холодильник
Як холодильник для дистиляту, що відбирається, можна використовувати лабораторний охолоджувач, який зазвичай купується в магазині лабораторного посуду.
При цьому пристрій можна виготовити самостійно за принципом дефлегматора сорочкового типу (тільки холодильник вийде набагато менше в розмірах). Для цього, знову ж таки, слід використовувати нержавіючі трубки невеликого діаметра. Довжина холодильника приблизно повинна дорівнювати довжині дефлегматора.
Для того щоб регулювати швидкість відбору дистиляту або своєчасно припиняти (починати) відбір, трубку відбору дистиляту слід оснастити краником або затискачем (наприклад, від крапельниці). Місце розташування затиску позначено загальною схемою РК.
Охолодні порожнини холодильника та дефлегматора з'єднуються між собою в наступній послідовності: низ холодильника – холодильник – верх холодильника – верх дефлегматора – дефлегматор – низ дефлегматора – каналізація. Простіше кажучи, використовується послідовне з'єднання патрубків, причому вода на дефлегматор подається вже злегка підігрітою.
Температура води, що охолоджує, в дефлегматорі, як ми вже знаємо, повинна відповідати певним значенням (орієнтовно – 45-55°С). А досягти потрібних показників нам допоможуть додаткові крани регулювання потоку води. Найбільш тонко регулює потік кран від газозварювального пальника.
Послідовність перегонки дистиляту
Розглянемо послідовність роботи з нашою колоною ректифікації. Насамперед розбавляємо спирт-сирець (отриманий після попередньої дистиляції браги) водопровідною водоюдо фортеці - 30% ... 40% (єдиної думки з приводу цього показника не існує, але чим він нижчий, тим менша ймовірність випадкового спалаху). Потім заливаємо його в перегінний куб, збираємо колону ректифікації і прикладаємо її до перегінної ємності.
Колона, за жодних обставин, не повинна відхилятися від вертикального рівня. Інакше якість кінцевого продукту помітно постраждає.
Після того, як РК буде встановлена, можна починати розігрів вмісту куба. Кран відбору дистиляту повинен бути закритий. У момент, коли температура пари в дефлегматоре почне різко підніматися, потрібно до мінімуму зменшити потужність, що подається на колону (температура в цей момент може швидко досягти показників в 70-78°С, що пов'язано з різким підняттям пар через насадкову частину колони). У такому положенні слід залишити пристрій на 30 хвилин. Це необхідно для того, щоб РК прогрілася, і в ній почався процес тепломасообміну. Температура у верхній частині РК у своїй може впасти.
Через зазначений час, включаємо подачу води в холодильник (і дефлегматор) і починаємо відбір «голів». Ще раз повторюємо, що «голови» не можна пити!
Закінчення відбору «голів» можна визначити за декількома ознаками: стабілізація температури - в районі 78 ° С і зміна органолептичних характеристик дистиляту, що відбирається (дистилят починає пахнути спиртом).
Після відбору «голів» можна розпочинати відбір «тіла»: збільшуємо потужність колони та налаштовуємо температуру води в дефлегматорі (45°С – 55°С).
Насолоджуємося процесом до моменту відсікання "хвостів". Про початок конденсації хвостових фракцій можна судити з підвищення температури в дефлегматорі (приблизно до 85 ° С) і появі запаху сивухи в дистиляті, що відбирається. У цьому процес ректифікації вважатимемо закінченим. Хвостові фракції можна відібрати для використання у процесі наступних перегонів, а можна просто утилізувати. Це вирішувати вам.
Якщо ви на практиці знайомі з , то запрошуємо вас взяти участь в обговоренні питань, що стосуються цієї цікавої теми. Якщо в комплекті з вишуканими напоями ви звикли вживати не менш витончені закуски, то стаття про те, навчить вас нескінченно дивувати гостей незвичайним смаком приготовлених страв.
Мета статті – розібрати теоретичні та деякі практичні аспекти роботи домашньої колони ректифікації, націленої на отримання етилового спирту, а також розвіяти найпоширеніші в Інтернеті міфи і роз'яснити моменти, про які «замовчують» продавці обладнання.
Ректифікація спирту– поділ багатокомпонентної спиртовмісної суміші на чисті фракції (етиловий та метиловий спирти, воду, сивушні олії, альдегіди та інші), що мають різну температуру кипіння, шляхом багаторазового випаровування рідини та конденсації пари на контактних пристроях (тарілках або насадках) у спеціальних протиточних баштових апаратах.
З фізичної точки зору ректифікація можлива, оскільки спочатку концентрація окремих компонентів суміші в паровій та рідкій фазах відрізняється, але система прагне рівноваги – однакового тиску, температури та концентрації всіх речовин у кожній фазі. При контакті з рідиною пара збагачується легколетючими (низькокиплячими) компонентами, у свою чергу, рідина – важколетучими (висококиплячими). Одночасно зі збагаченням відбувається обмін теплом.
Принципова схема Момент контакту (взаємодії потоків) пари та рідини називається процесом тепломасообміну.
Завдяки різній спрямованості рухів (пар піднімається вгору, а рідина стікає вниз), після досягнення системою рівноваги у верхній частині колони ректифікації можна окремо відібрати практично чисті компоненти, що входили до складу суміші. Спочатку виходять речовини з нижчою температурою кипіння (альдегіди, ефіри та спирти), потім – з високою (сивушні олії).
Стан рівноваги.З'являється на межі поділу фаз. Досягається лише за одночасного дотримання двох умов:
- Рівний тиск кожного окремого компонента суміші.
- Температура та концентрація речовин в обох фазах (парової та рідкої) однакова.
Чим частіше система приходить у рівновагу, тим ефективніший тепломасообмін та поділ суміші на окремі складові.
Різниця між дистиляцією та ректифікацією
Як видно на графіку, із 10% спиртового розчину(Браги) можна отримати самогон 40%, а при другій перегонці цієї суміші вийде 60-градусний дистилят, при третій - 70%. Можливі такі інтервали: 10-40; 40-60; 60-70; 70-75 тощо до максимуму – 96%.
Теоретично, щоб отримати чистий спирт, потрібно 9-10 послідовних дистиляцій на самогонному апараті. На практиці переганяти спиртовмісні рідини концентрацією вище 20-30% вибухонебезпечно, до того ж через великі витрати енергії та часу економічно невигідно.
З цієї точки зору, ректифікація спирту – це мінімум 9-10 одночасних, ступінчастих дистиляцій, що відбуваються на різних контактних елементах колони (насадки або тарілки) по всій висоті.
| Відмінність | Дистиляція | Ректифікація |
| Органолептика напою | Зберігає аромат та смак вихідної сировини. | Виходить чистий спирт без запаху та смаку (проблема має вирішення). |
| Фортеця на виході | Залежить від кількості перегонів та конструкції апарату (зазвичай 40-65%). | до 96%. |
| Ступінь поділу на фракції | Низька, речовини навіть із різною температурою кипіння перемішуються, виправити це неможливо. | Висока, можна виділити чисті речовини (тільки із різною температурою кипіння). |
| Здатність прибрати шкідливі речовини | Низька чи середня. Для підвищення якості потрібно мінімум дві перегонки з поділом на фракції хоча б за однієї з них. | Висока, при правильному підході відсікаються усі шкідливі речовини. |
| Втрати спирту | Високі. Навіть при правильному підході можна отримати до 80% від кількості, зберігши прийнятну якість. | Низькі. Теоретично реально витягти весь етиловий спирт без втрати якості. Насправді мінімум 1-3% втрат. |
| Складність технології для реалізації в домашніх умовах | Низька та середня. Підходить навіть найпримітивніший апарат із змійовиком. Можливі покращення обладнання. Технологія перегонки проста та зрозуміла. Самогонний апарат зазвичай не займає багато місця у робочому стані. | Висока. Потрібне спеціальне обладнання, виготовити яке без знань та досвіду неможливо. Процес складніший для розуміння, потрібна попередня хоча б теоретична підготовка. Колона займає більше місця (особливо на висоті). |
| Небезпека (у порівнянні один з одним), обидва процеси пожежо- та вибухонебезпечні. | Завдяки простоті самогонного апарату дистиляція дещо безпечніша (суб'єктивна думка автора статті). | Через складне обладнання, при роботі з яким існує ризик припуститися більше помилок, ректифікація небезпечніша. |
Робота колони ректифікації
Ректифікаційна колона– пристрій, призначений для розділення багатокомпонентної рідкої суміші на окремі фракції за температурою кипіння. Є циліндром постійного або змінного перерізу, всередині якого знаходяться контактні елементи - тарілки або насадки.
Також майже кожна колона має допоміжні вузли для підведення вихідної суміші (спирту-сирцю), контролю процесу ректифікації (термометри, автоматика) та відбору дистиляту – модуль, в якому конденсується, а потім приймається назовні вилучений із системи пар певної речовини.
Одна з найпоширеніших домашніх конструкцій. Спирт-сирець– продукт перегонки браги методом класичної дистиляції, який можна «заливати» в колону ректифікації. Фактично це самогон міцністю 35-45 градусів.
Флегма– пар, що конденсувався в дефлегматоре, стікає по стінках колони вниз.
Флегмове число- Відношення кількості флегми до маси дистиляту, що відбирається. У спиртовій колоні ректифікації знаходяться три потоки: пара, флегма і дистилят (кінцева мета). На початку процесу дистилят не відбирають, щоб у колоні з'явилася достатньо флегми для тепломасообміну. Потім частина парів спирту конденсують і відбирають з колони, а спиртові пари, що залишилися, і далі створюють потік флегми, забезпечуючи нормальну роботу.
Для роботи більшості установок флегмове число має бути не менше 3, тобто 25% дистиляту відбирають, решта – потрібна в колоні для зрошення контактних елементів. Загальне правило: чим повільніше відбирати спирт, тим вища якість
Контактні пристрої ректифікаційної колони (тарілки та насадки)
Відповідають за багаторазове та одночасне поділ суміші на рідину та пару з подальшою конденсацією пари в рідину – досягнення в колоні стану рівноваги. За інших рівних умов, що більше у конструкції контактних пристроїв, то ефективніше ректифікація у плані очищення спирту, оскільки збільшується поверхня взаємодії фаз, що інтенсифікує весь тепломасообмін.
Теоретична тарілка– один цикл виходу із рівноважного стану з повторним його досягненням. Для отримання якісного спирту потрібно щонайменше 25-30 теоретичних тарілок.
Фізична тарілка- Реально працюючий пристрій. Пара проходить крізь шар рідини в тарілці як безлічі бульбашок, створюють велику поверхню контакту. У класичній конструкції фізична тарілка забезпечує приблизно половину умов досягнення одного рівноважного стану. Отже, для нормальної роботи колони ректифікації потрібно вдвічі більше фізичних тарілок, ніж теоретичних (розрахункових) мінімум – 50-60 штук.
Насадки.Найчастіше тарілки ставлять лише на промислові установки. У лабораторних і домашніх колонах ректифікації як контактні елементи використовуються насадки - скручений спеціальним чином мідний (або сталевий) дріт або сітки для миття посуду. У цьому випадку флегма стікає тонким струмком по всій поверхні насадки, забезпечуючи максимальну площуконтакту з парою.
Насадки з мочалок найпрактичніші Конструкцій дуже багато. Нестача саморобних дротяних насадок – можливе псування матеріалу (почорніння, іржа), заводські аналоги позбавлені подібних проблем.
Властивості колони ректифікації
Матеріал та розміри.Циліндр колони, насадки, куб та дистилятори обов'язково роблять із харчового, нержавіючого, безпечного при нагріванні (рівномірно розширюється) сплаву. У саморобних конструкціях як куб найчастіше використовуються бідони і скороварки.
Мінімальна довжина труби домашньої колони ректифікації – 120-150 см, діаметр – 30-40 мм.
Система нагрівання.У процесі ректифікації дуже важливо контролювати та швидко регулювати потужність нагріву. Тому найвдалішим рішенням є нагрівання за допомогою ТЕНів, вмонтованих у нижню частинукуб. Підведення тепла через газову плиту не рекомендується, оскільки дозволяє швидко змінювати температурний діапазон (висока інертність системи).
Контроль процесу.Під час ректифікації важливо дотримуватись інструкції виробника колони, в якій обов'язково вказуються особливості експлуатації, потужність нагріву, флегмове число та продуктивність моделі.
Термометр дозволяє точно контролювати процес відбору фракцій. Дуже складно контролювати процес ректифікації без двох найпростіших пристроїв – термометра (допомагає визначити правильний ступінь нагрівання) та спиртометра (вимірює міцність отриманого спирту).
Продуктивність.Не залежить від розмірів колони, оскільки, чим вище царга (труба), тим більше фізичних тарілок знаходиться всередині, отже, якісніше очищення. На продуктивність впливає потужність нагріву, яка визначає швидкість руху потоків пари та флегми. Але при надлишку потужності колона захлинається (перестає працювати).
Середні значення продуктивності домашніх колон ректифікації - 1 літр на годину при потужності нагріву 1 кВт.
Вплив тиску.Температура кипіння рідин залежить від тиску. Для успішної ректифікації спирту тиск зверху колони має бути наближений до атмосферного – 720-780 мм.рт.ст. В іншому випадку при зменшенні тиску знизиться щільність пари і збільшиться швидкість випаровування, що може стати причиною захлину колони. При надто високому тиску падає швидкість випаровування, роблячи роботу пристрою неефективною (немає поділу суміші на фракції). Для підтримання правильного тиску кожна колона для ректификации спирту обладнана трубкою зв'язку з атмосферою.
Про можливість саморобного складання.Теоретично, колона ректифікації не є дуже складним пристроєм. Конструкції успішно реалізуються умільцями у домашніх умовах.
Але на практиці без розуміння фізичних основ процесу ректифікації, правильних розрахунків параметрів обладнання, підбору матеріалів та якісного складання вузлів, використання саморобної колони ректифікації перетворюється на небезпечне заняття. Навіть одна помилка може призвести до пожежі, вибуху або опіків.
У плані безпеки минулі випробування (мають документацію, що підтверджує) заводські колони надійніше, до того ж поставляються з інструкцією (має бути докладною). Ризик виникнення критичної ситуації зводиться лише до двох факторів – правильної складання та експлуатації згідно з інструкцією, але це проблема майже всіх побутових приладів, а не лише колон чи самогонних апаратів.
Принцип роботи колони ректифікації
Куб наповнюють максимум на 2/3 обсяги. Перед включенням установки обов'язково перевіряють герметичність з'єднань і складання, перекривають вузол відбору дистиляту і подають воду, що охолоджує. Тільки після цього можна розпочати нагрівання куба.
Оптимальна міцність суміші, що подається в колону, - 35-45%. Тобто у будь-якому разі перед ректифікацією потрібна дистиляція браги. Отриманий продукт (спирт-сирець) потім переробляють на колоні, одержуючи майже чистий спирт.
Це означає, що домашня колона ректифікації не є повною заміною класичного самогонного апарату (дистилятора) і може розглядатися лише як додатковий ступінь очищення, більш якісно замінює повторну дистиляцію (другу перегонку), але нівелює органолептичні властивості напою.
Заради справедливості зазначу, що більшість сучасних моделей ректифікаційних колон припускають роботу в режимі самогонного апарату. Для початку дистиляції необхідно лише перекрити штуцер з'єднання з атмосферою і відкрити вузол відбору дистиляту.
Якщо одночасно перекрити обидва штуцери, то нагріта колона може вибухнути через надмірний тиск! Не допускайте таких помилок!
На промислових установках безперервної діїНайчастіше брагу переганяють відразу, але це можливо завдяки гігантським розмірам та особливостям конструкції. Наприклад, стандартом вважається труба 80 метрів висоти та 6 метрів діаметра, в якій встановлено в рази більше контактних елементів, ніж на колонах ректифікаційних для будинку.
Розмір має значення. Можливості спиртзаводів у плані очищення куба більші, ніж при домашній ректифікації Після включення рідина у кубі доводиться нагрівачем до кипіння. Пар, що утворився, піднімається вгору по колоні, потім потрапляє в дефлегматор, де конденсується (з'являється флегма) і по стінках труби повертається в рідкому вигляді в нижню частину колони, на зворотному шляху контактуючи з парою, що піднімається, на тарілках або насадках. Під дією нагрівача флегма знову стає парою, а пара зверху знову конденсується дефлегматором. Процес стає циклічним, обидва потоки безперервно контактують один з одним.
Після стабілізації (пара та флегми достатньо для рівноважного стану) у верхній частині колони накопичуються чисті (розділені) фракції з найнижчою температурою кипіння (метиловий спирт, оцтовий альдегід, ефіри, етиловий спирт), внизу – з найвищої (сивушні олії). У міру відбору нижні фракції поступово піднімаються вгору колоною.
Найчастіше стабільною (можна починати відбір) вважається колона, у якій температура не змінюється протягом 10 хвилин (загальний час прогріву – 20-60 хвилин). До цього моменту пристрій працює «сам на себе», створюючи потоки пари та флегми, які прагнуть рівноваги. Після стабілізації починається відбір головної фракції, що містить шкідливі речовини: ефіри, альдегіди та метиловий спирт.
Ректифікаційна колона не позбавляє необхідності розділяти вихід на фракції. Як і у випадку зі звичайним самогонним апаратом доводиться збирати «голову», «тіло» та «хвіст». Різниця лише у чистоті виходу. При ректифікації фракції не «змащуються» – речовини з близькою, але хоча б на десяту частку градуса різною температурою кипіння не перетинаються, тому при відборі «тіла» виходить майже чистий спирт. Під час звичайної дистиляції розділити вихід на фракції, що складаються тільки з однієї речовини, неможливо фізично будь-яка конструкція не використовувалася.
Якщо колону виведено на оптимальний режим роботи, то при відборі «тіла» труднощів не виникає, оскільки температура постійно стабільна.
Нижні фракції («хвости») при ректифікації відбирають, орієнтуючись за температурою або запахом, але на відміну від дистиляції ці речовини не містять спирту.
Повернення спирту органолептичних властивостей.Найчастіше «хвости» потрібні, щоб повернути спирту-ректифікату «душу» – аромат та смак вихідної сировини, наприклад, яблука чи винограду. Після завершення процесу чистий спирт додають кілька зібраних хвостових фракцій. Концентрацію розраховують емпіричним шляхом, експериментуючи на невеликій кількості продукту.
Перевага ректифікації в можливості видобути практично весь спирт, що міститься в рідині, без втрати його якості. Це означає, що «голови» та «хвости», отримані на самогонному апараті, можна переробити на колоні ректифікації і отримати безпечний для здоров'я етиловий спирт.
Захлинання колони ректифікації
Кожна конструкція має граничну швидкість руху пари, після якої перебіг флегми в кубі спочатку сповільнюється, а потім і зовсім припиняється. Рідина накопичується в частині колони ректифікації і відбувається «захлинування» - припинення тепломасообмінного процесу. Усередині відбувається різкий перепад тиску, з'являється сторонній шум або булькання.
Причини захлинання колони ректифікації:
- перевищення допустимої потужності нагріву (зустрічається найчастіше);
- засмічення нижньої частини пристрою та переповнення куба;
- дуже низька атмосферний тиск(характерно для високогір'я);
- напруга в мережі вище 220В - в результаті потужність ТЕНів зростає;
- конструктивні помилки та несправності.
§ 13.2 Ректифікаційні колони: їх будова та робота
Як було зазначено вище, ректифікація здійснюється у спеціальних апаратах - ректифікаційних колонах, які є основними елементами установок ректифікації.
Процес ректифікаціїможе здійснюватися періодично та безперервно, незалежно від типу та конструкції ректифікаційних колон. Розглянемо процес безперервної ректифікації, з допомогою якого відбувається поділ рідких сумішей у промисловості.
Ректифікаційна колона- вертикальнийциліндричний апарат зі зварним (абозбірним) корпусом, в якому розташовані масо- та теплообмінні пристрої (горизонтальні тарілки 2 чи насадка). У нижній частині колони (рис. 13.3) є куб. 3, у якому відбувається кипіння кубової рідини. Нагрівання в кубі здійснюється за рахунок глухої пари, що знаходиться в змійовику або в кожухотрубчастому підігрівачі-кип'ятильнику. Невід'ємною частиною колони ректифікації є дефлегматор 7, призначений для конденсації пари, що виходить з колони.
Ректифікаційна тарілчаста колона працює в такий спосіб. Куб постійно підігрівається, і кубова рідина кипить. Пар, що утворюється в кубі, піднімається вгору по колоні. Попередньо нагрівається до кипіння вихідна суміш, що підлягає поділу. Вона подається на живильну тарілку 5, яка поділяє колону на дві частини: нижню (вичерпну) 4 і верхню (зміцнюючу) 6. Вихідна суміш з живильної тарілки стікає на нижчележачі тарілки, взаємодіючи на своєму шляху з парою, що рухається знизу вгору. В результаті цієї взаємодії пара збагачується легколетучим компонентом, а рідина, що стікає вниз, збіднюючись цим компонентом, збагачується важколетучим. У нижній частині колони йде процес вилучення (вичерпування) легколетючого компонента з вихідної суміші та перехід його в пару. Деяка частина готового продукту (ректифікату) подається на зрошення верхньої частини колони.
Рідина, що надходить на зрошення верху колони і перетікає по колоні зверху вниз, називають флегмою. Пара, взаємодіючи з флегмою усім тарілках верхню частину колони, збагачується (зміцнюється) легколетучим компонентом. Пара, що виходить з колони, прямує в дефлегматор 7, в якому здійснюється його конденсація. Дистилят, що утворюється, ділиться на два потоки: один у вигляді продукту прямує на подальше охолодження і на склад готової продукції, інший прямує назад в колону як флегма.
Найважливішим елементом тарілчастої колони ректифікації є тарілка, оскільки саме на ній відбувається взаємодія пари з рідиною. На рис. 13.4 зображена схема пристрою та роботи ковпачкової тарілки.Вона має дно 1, герметично з'єднане з корпусом колони 4, парові патрубки 2 та зливні патрубки 5. Парові патрубки призначені для пропускання пари, що піднімаються з нижньої тарілки. По зливних патрубках рідина стікає з тарілки на нижчележачу. На кожен паровий патрубок монтується ковпачок 3, за допомогою якого пари прямують у рідину, барботируют через неї, охолоджуються та частково конденсуються. Дно кожної тарілки обігрівається парами нижньої тарілки. Крім того, при частковій конденсації пари виділяється тепло. За рахунок цього тепла рідина на кожній тарілці кипить, утворюючи свої пари, які змішуються з парами, що надійшли з тарілки. Рівень рідини на тарілці підтримується за допомогою зливних патрубків.
Рис. 13.3. Схема колони ректифікації: / - корпус; 2 - тарілки; 3 - куб; 4, 6 - вичерпна та зміцнююча частини колони; 5 -Поживна тарілка; 7 - дефлегматор
Процеси, що протікають на тарілці, можна описати так (див. рис. 13.4). Нехай на тарілку надходять пари складу Л із нижньої тарілки, а з верхньої тарілки по переливній трубці стікає рідина складу Ст.В результаті взаємодії пари Аз рідиною В(пар, барботуючи через рідину, частково її випаровує, а сам частково сконденсується) утворюється новий пар складу Зта нова рідина складу D, що перебувають у рівновазі. В результаті роботи тарілки новий пар Збагатшим легколетючою речовиною в порівнянні з парою, що надійшли з нижньої тарілки А,тобто на тарілці пар Ззбагатився легколетючою речовиною. Нова рідина D, навпаки, стала біднішою легколетючою речовиною в порівнянні з рідиною, що надійшла з верхньої тарілки. В,тобто на тарілці рідина збіднюється легколетучим і збагачується складним компонентом. Коротше, робота тарілки зводиться до збагачення пари та збіднення рідини легколетучим компонентом.
Рис. 13.4. Схема влаштування та роботи ковпачкової тарілки: /- дно тарілки; 2 -паровий патрубок;
3 - Ковпачок; 4 - Корпус колони; 5 - зливний патрубок
Рис. 13.5. Зображення роботи ректифікаційної тарілки на діаграмі у-х: 1- рівноважна крива;
2 - Лінія робочих концентрацій
Тарілка, на якій досягається стан рівноваги між парами, що піднімаються з неї, і стікаючою рідиною, називається теоретичної.В реальних умовах через короткочасну взаємодію пари з рідиною на тарілках не досягається стан рівноваги. Поділ суміші на реальній тарілці йде менш інтенсивно, ніж теоретичної. Тому для виконання роботи однієї теоретичної тарілки потрібно більше ніж одна реальна тарілка.
На рис. 13.5 зображено роботу ректифікаційної тарілки з використанням діаграми у-х.Теоретичній тарілці відповідає заштрихований прямокутний трикутник, катетами якого є величина збільшення концентрації легколетючого компонента в парі, рівна вус-y а , і величина зменшення концентрації легколетючого компонента в рідині, що дорівнює x B - x D . Відрізки, що відповідають зазначеним змінам концентрацій, сходяться на рівноважній кривій. Тим самим передбачається, що фази, що залишають тарілку, перебувають у стані рівноваги. Однак насправді стан рівноваги не досягається і відрізки зміни концентрацій не досягають рівноважної кривої. Тобто робочій (дійсній) тарілці відповідатиме менший трикутник, ніж той, що зображений
на рис. 13.5.
Конструкції тарілок колон ректифікації дуже різноманітні. Розглянемо коротко основні їх.
Колони з ковпачковими тарілкамишироко застосовуються у промисловості. Використання ковпачків забезпечує хороший контакт між парою та рідиною, ефективне перемішування на тарілці та інтенсивний масообмін між фазами. За формою ковпачки можуть бути круглими, багатогранними та прямокутними, тарілки – одно- та багатоковпачковими.
Тарілка з жолобчастими ковпачками показана на рис. 13.6. Пара з нижньої тарілки проходить у зазори і потрапляє у верхні (перекинуті) жолоби, які спрямовують його в нижні жолоби, заповнені рідиною. Тут пара барботує через рідину, що забезпечує інтенсивний масообмін. Рівень рідини на тарілці підтримується переливним пристроєм.
Колони з сітчастими тарілками показано на рис. 13.7. Тарілки мають велику кількість отворів малого діаметра (від 0,8 до 3 мм). Тиск пари та швидкість його проходу через отвори повинні знаходитися відповідно до тиску рідини на тарілці: пара повинна долати тиск рідини та перешкоджати її витоку через отвори на тарілку, що нижче лежить. Тому ситчасті тарілки вимагають відповідного регулювання та дуже чутливі до зміни режиму. У разі зменшення тиску пари рідина з ситчастих тарілок іде вниз. Ситчасті тарілки чутливі до забруднень (опадів), які можуть забивати отвори, створюючи умови утворення підвищених тисків. Все це обмежує їхнє застосування.
Насадочні колони(Рис. 13.8) відрізняються тим, що в них роль тарілок виконує так звана «насадка». Як насадку використовують спеціальні керамічні кільця (кільця Рашига), кульки, короткі трубки, кубики, тіла сідлоподібної, спіралеподібної тощо форми, виготовлені з різноманітних матеріалів (порцеляна, скла, металу, пластмаси та ін.).
Пара надходить у нижню частину колони з виносного кип'ятильника і рухається вгору колоною назустріч стікаючої рідини. Розподіляючись по великій поверхні, що утворюється насадковими тілами, пара інтенсивно контактує з рідиною, обмінюючись компонентами. Насадка повинна мати велику поверхню в одиниці об'єму, чинити малий гідравлічний опір, бути стійкою до хімічного впливу рідини і пари, мати високу механічну міцність, мати невисоку вартість.
Насадочні колони мають невеликий гідравлічний опір, зручні в експлуатації: легко спорожняються, промиваються, продуваються, очищаються.
Рис. 13.6. Тарілка з жолобчастими ковпачками: а- загальний вигляд; б- Поздовжній розріз; в- схема роботи тарілки
Рис. 13.7. Схема влаштування ситчастої тарілки: / - корпус колони; 2 - тарілка; 3 - зливна труба; 4 - гідравлічний затвор; 5 - отвори
Рис. 13.8. Схема насадкової колони ректифікації: 1 - Корпус; 2 - Введення початкової суміші; 3 - пара; 4 - зрошення; 5 - грати; 6 - Насадка; 7-відведення висококиплячого продукту j-. 8 - виносний окроп
Рано чи пізно майже кожен любитель саморобного алкоголю замислюється над придбанням або виготовленням ректифікаційної колони (РК) – пристрою для одержання чистого спирту. Починати треба з комплексного розрахунку базових параметрів: потужності, висоти, діаметра царги, об'єму куба тощо. Ця інформація буде корисна як охочим зробити всі елементи своїми руками, так і тим, хто зібрався купити готову колону ректифікації (допоможе визначитися з вибором і перевірити продавця). Не чіпаючи конструктивних особливостейокремих вузлів, ми розглянемо загальні принципипобудови збалансованої системи для ректифікації в домашніх умовах
Схема роботи колони Характеристики труби (царги) та насадки
Матеріал.Труба багато в чому визначає параметри колони ректифікації і вимоги до всіх вузлів апарату. Матеріалом для виготовлення царги є хромонікелева нержавіюча сталь – «харчова» нержавіюча сталь.
Завдяки хімічній нейтральності харчова нержавіюча сталь не впливає на склад продукту, що й потрібно. На спирт переганяють сирець із цукрової брагиабо відходи дистиляції («голови» та «хвости»), тому головною метою ректифікації є максимальне очищення виходу від домішок, а не зміна органолептичних властивостей спирту в той чи інший бік. Використовувати мідь у класичних колонах ректифікації недоречно, оскільки цей матеріал злегка змінює хімічний складнапою і підходить для виробництва дистилятора (звичайного самогонного апарату) або бражної колони(частка ректифікації).
Розібрана труба колони із встановленою насадкою в одній із царг Товщина.Царгу роблять із нержавіючої труби з товщиною стінки 1-1,5 мм. Товстіша стінка не потрібна, так як це призведе до подорожчання і обтяження конструкції без отримання будь-яких переваг.
Параметри насадки.Говорити про характеристики колони без прив'язки до насадки неправильно. При ректифікації в домашніх умовах використовують насадки із площею контактної поверхні від 1,5 до 4 кв. м/літр. Зі збільшенням площі контактної поверхні зростає і здатність, що розділяє, але падає продуктивність. Зменшення площі призводить до зниження розділяючої та зміцнюючої здатності.
Продуктивність колони спочатку зростає, але потім підтримки фортеці виходу оператор змушений знижувати швидкість відбору. Це означає, що існує якийсь оптимальний розмірнасадки, який залежить від діаметра колони та дозволять досягти найкращого поєднання параметрів.
Розміри спірально-призматичної насадки (СПН) повинні бути меншими від внутрішнього діаметра колони приблизно в 12-15 разів. Для діаметра труби 50 мм – 3.5х3.5х0.25 мм, для 40 – 3х3х0.25 мм, а для 32 та 28 – 2х2х0.25 мм.
Залежно від поставлених завдань доцільно використати різні насадки. Наприклад, при отриманні укріплених дистилятів часто застосовують мідні кільця діаметром та висотою 10 мм. Зрозуміло, що в цьому випадку метою є не розділяюча та зміцнююча можливість системи, а зовсім інший критерій – каталітична здатність міді усувати із спирту сірчисті сполуки.
Варіанти спірально-призматичних насадок Не варто обмежувати арсенал однією, нехай навіть найкращою насадкою, таких просто немає. Є найбільш підходящі на вирішення кожної конкретної задачи.
Навіть невелика зміна діаметра колони серйозно впливає на параметри. Для оцінки досить пам'ятати, що номінальні потужність (Вт) та продуктивність (мл/год) чисельно рівні площі поперечного перерізуколони (кв. мм), отже, пропорційні квадрату діаметра. Звертайте на це увагу при виборі царги, завжди рахуйте внутрішній діаметр і по ньому порівнюйте варіанти.
Залежність потужності від діаметра труби
Висота труби.Для забезпечення гарної утримуючої та розділової здатності, незалежно від діаметра, висота колони ректифікації повинна бути від 1 до 1,5 м. Якщо менше – не вистачить місця для накопичених у ході роботи сивушних масел, внаслідок сивуха почне прориватися у відбір. Ще один недолік – голови нечітко поділятимуться на фракції. Якщо висота труби більше – це не призведе до істотного поліпшення розділяючої та стримуючої здатності системи, але збільшить час перегону, а також кількість «голів» і «підголовників». знижується. Ефект від збільшення труби з 50 см до 60 см на порядок вищий, ніж із 140 см до 150 см.
Об'єм куба для колони ректифікації
Щоб підвищити вихід якісного спирту, але не допустити переповнення сивухої колони, навалку (наповнення) спирту-сирцю в кубі обмежують у діапазоні 10-20 об'ємів насадки. Для колон заввишки 1,5 м і діаметром 50 мм – 30-60 л, 40 мм – 17-34 л, 32 мм – 10-20 л, 28 мм – 7-14 л.
З урахуванням заповнення куба на 2/3 об'єму для колони внутрішнім діаметром царги 50 мм підійде 40-80 літрова ємність, для 40 мм - 30-50 літрова, для 32 мм - 20-30 літровий куб, а для 28 мм - скороварка.
При використанні куба об'ємом ближче до нижньої межі рекомендованого діапазону можна сміливо усунути одну царгу і зменшити висоту до 1-1,2 метра. В результаті сивухи буде відносно мало для прориву у відбір, а ось обсяг підголовників помітно зменшиться.
Джерело та потужність нагрівання колони
Тип плити.Самогінне минуле не дає спокою багатьом новачкам, які вважають, що якщо раніше використовували для нагрівання самогонного апарату газову, індукційну або звичайну електричну плиту, то можна залишити це джерело і для колони.
Процес ректифікації істотно відрізняється від дистиляції, все набагато складніше і багаття не підійде. Потрібно забезпечити плавне регулювання і стабільність потужності нагрівання, що подається.
Електроплитки, що працюють по терморегулятору в режимі старт-стоп, не використовуються, тому що як тільки відбудеться короткочасне відключення живлення, пара перестане йти в колону, а флегма впаде в куб. У такому разі доведеться почати ректифікацію заново – з роботи колони на себе та відбору голів.
Індукційна плита – вкрай грубий апарат зі ступінчастою зміною потужності по 100-200 Вт, а при ректифікації потрібно міняти потужність плавно, буквально по 5-10 Вт. Та й стабілізувати нагрівання незалежно від коливання напруги на вході навряд чи вдасться.
Газова плита при залитому в куб 40-відсотковому спирті-сирці і 96-градусон продукті на виході становить смертельну небезпеку, не кажучи вже про коливання температури нагріву.
Оптимальне рішення - врізати в куб колони тен потрібної потужності, а для регулювання використовувати реле зі стабілізацією вихідної напруги, наприклад РМ-2 16А. Можна взяти аналоги. Головне отримати на виході стабілізовану напругу та можливість плавно змінювати температуру нагріву по 5-10 Вт.
Подається потужність.Щоб нагріти куб за прийнятний час, потрібно виходити із потужності 1 кВт на 10 літрів спирту-сирцю. Отже, для 50 л куба, заповненого на 40 літрів, потрібно щонайменше 4 кВт, 40 л – 3 кВт, 30 л – 2-2.5 кВт, 20 л – 1.5 кВт.
При тому самому обсязі куби можуть бути низькими і широкими, вузькими і високими. Вибираючи відповідну ємність, потрібно враховувати, що часто куб використовується не тільки для ректифікації, але і при дистиляції, тому виходять з найжорсткіших умов, щоб потужність, що підводиться, не призводила до бурхливого піноутворення з викидами бризок з куба в паропровід.
Досвідченим шляхом встановлено, що при глибині розміщення тену близько 40-50 см нормальне кипіння відбувається у випадку, якщо на 1 кв. см дзеркала навалки доводиться трохи більше 4-5 Вт потужності. При зменшенні глибини допустима потужність збільшується, а при збільшенні зменшується.
Є й інші чинники, що впливають характер кипіння: щільність, в'язкість і поверхневе натяг рідини. Буває, що викиди відбуваються наприкінці перегонки браги, коли зростає щільність. Тому вести процес ректифікації на межі дозволеного діапазону завжди загрожує неприємностями.
Поширені циліндричні куби мають діаметр 26, 32, 40 см. Виходячи і допустимої потужності на площу поверхні дзеркала кубового навалки 26 см куб, нормально працюватиме при потужності нагріву до 2,5 кВт, для 30 см – 3.5 кВт, 40 см – 5 кВт .
Третім фактором, що визначає потужність нагріву, є використання однієї з цар колони без насадки як сухопарник для боротьби з бризгоуносом. Для цього потрібно, щоб швидкість пари в трубі не перевищувала 1 м/с, при 2-3 м/с захисний ефект слабшає, а при великих значенняхпар буде гнати флегму вгору трубою і закидати у відбір.
Формула для розрахунку швидкості пари:
V = N * 750/S (м/сек),
- N - Потужність, кВт;
- 750 - пароутворення (куб. см/сек кВт);
- S – площа поперечного перерізу колони (кв. мм).
Труба діаметром 50 мм подолає бризгоунос при нагріванні до 4 кВт, 40-42 мм – до 3 кВт, 38 – до 2 кВт, 32 – до 1,5 кВт.
Виходячи з перерахованих вище міркувань, вибираємо об'єм, розміри куба, потужність нагріву і дистиляції. Всі ці параметри узгоджені з діаметром та висотою колони.
Розрахунок параметрів дефлегматора колони ректифікації
Потужність дефлегматора визначається залежно від типу колони ректифікації. Якщо будуємо колону з рідинним відбором або паровим нижче за дефлегматор, то необхідна потужністьмає бути не менше номінальної потужності колони. Зазвичай у цих випадках як конденсатор застосовують холодильник Димрота з утилізаційною потужністю 4-5 Ватт на 1 кв. см поверхні.
Якщо колона з відбором по пару вище за дефлегматор, то розрахункова потужність становить 2/3 від номінальної. У цьому випадку можна застосувати Дімрот або "сорочник". Утилізаційна потужність сорочника нижче, ніж у димрота і становить близько 2 Ватів на квадратний сантиметр.
Приклад холодильника Дімрота для колони Далі все просто: номінальну потужність поділяємо на утилізаційну. Наприклад, для колони з внутрішнім діаметром 50 мм: 1950/5 = 390 кв. см площі Дімрота або 975 кв. див «сорочника». Значить, холодильник Дімрот можна зробити з трубки 6х1 мм завдовжки 487/(0.6*3.14) = 2.58 см для першого варіанту, з урахуванням коефіцієнта запасу 3 метри. Для другого варіанта множимо на дві третини: 258*2/3 = 172 см, з урахуванням коефіцієнта запасу 2 метри.
Сорочник для колони 52 х 1 - 975/5.2/3.14 = 59 см * 2/3 = 39 см. Але це для приміщень з високими стелями.
«Сорочка» Розрахунок прямоточного холодильника
Якщо прямоточник застосовується як доохолоджувач в колоні ректифікації з рідинним відбором, то вибирають найменший і компактний варіант. Достатньо потужності в 30-40% від номінальної потужності колони.
Виготовляють прямоточний холодильник без спіралі в зазорі між сорочкою та внутрішньою трубою, потім запускають відбір у сорочку, а воду, що охолоджує, подають по центральній трубі. У цьому випадку сорочка наварюють на трубу подачі води в дефлегматор. Це дрібний «олівець» довжиною близько 30 см.
Але якщо той самий прямоточник використовується як при дистиляції, так і при ректифікації, будучи універсальним вузлом, виходять не з потреби РК, а з максимальної потужності нагріву при дистиляції.
Для створення турбулентного потоку пари в холодильнику, що дозволяє забезпечити інтенсивність теплопередачі не менше 10 Ватт/кв. см, необхідно забезпечити швидкість пари близько 10-20 м/с.
Діапазон можливих діаметрів досить широкий. Мінімальний діаметр визначається із умов не створення великого надлишкового тиску в кубі (не більше 50 мм вод стовпа), а максимальний розрахунком числа Рейнольдса, виходячи з мінімальної швидкості та максимального коефіцієнта кінематичної в'язкості парів.
Можлива конструкція прямоточного холодильника Щоб не вдаватися в непотрібні подробиці, наведемо найпоширеніше визначення: «Для того, щоб у трубі підтримувався турбулентний режим руху пари, достатньо, щоб внутрішній діаметр (мм) був не більше 6-кратної потужності нагріву (в кіловатах)».
Для запобігання завозу водяної сорочки необхідно підтримувати лінійну швидкість води не нижче 11 см/с, але надмірне збільшення швидкості вимагатиме великого тиску у водопроводі. Тому оптимальним вважається діапазон від 12 до 20 см/с.
Щоб сконденсувати пару і охолодити конденсат до прийнятної температури, потрібно подавати воду при 20°C в обсязі близько 4.8 куб см/с (17 літрів на годину) на кожен кіловат потужності, що підводиться. Водночас вода нагріється на 50 градусів – до 70°C. Звичайно, взимку води знадобиться менше, а при використанні автономних систем охолодження приблизно в півтора рази більше.
На підставі попередніх даних можна розрахувати площу поперечного перерізу кільцевого зазору та внутрішній діаметр сорочки. Потрібно враховувати доступний сортамент труб. Розрахунки та практика показали, що зазор в 1-1.5 мм цілком достатній для дотримання всіх необхідних умов. Цьому відповідають пари труб: 10х1 – 14х1, 12х1 – 16х1, 14х1 – 18х1, 16х1 – 20х1 та 20х1 – 25х1.5, які перекривають весь діапазон потужностей, які застосовуються в домашніх умовах.
Є ще одна важлива деталь прямоточника – спіраль, навита на парову трубу. Робиться така спіраль із дроту діаметром, що забезпечує зазор 0.2-0.3 мм до внутрішньої поверхні сорочки. Навивається із кроком рівним 2-3 діаметрам парової труби. Основне призначення – центрування парової труби, у якій під час роботи температура вище, ніж у трубі сорочки. Це означає, що внаслідок теплового розширення парова труба подовжується і згинається, притуляючись до сорочки, виникають мертві зони, які не омиваються водою охолодження, в результаті ефективність холодильника різко падає. Додатковими плюсами навивки спіралі є подовження шляху та створення турбулентності охолодного потоку води.
Грамотно виконаний прямоточник може утилізувати до 15 Ватт/кв. см площі теплообміну, що підтверджено досвідченим шляхом. Для визначення довжини охолоджуваної частини прямоточника скористаємося номінальною потужністю 10 Вт/кв. см (100 кв. см/кВт).
Необхідна площа теплообміну дорівнює потужності нагріву в кіловатах, помноженої на 100:
S = P*100 (кв. див).
Довжина зовнішнього кола парової труби:
Lокр = 3.14*D.
Висота сорочки охолодження:
H = S/Lокр.
Загальна формула розрахунку:
H = 3183*P/D (потужність у кВт, висота та зовнішній діаметр парової труби в міліметрах).
Приклад розрахунку прямоточника
Потужність нагріву – 2 кВт.
Можливе застосування труб 12х1 та 14х1.
Площі перерізу – 78,5 та 113 кв. мм.
Об'єм пари - 750 * 2 = 1500 куб. см/с.
Швидкості пари в трубах: 19,1 та 13,2 м/с.
Труба 14х1 виглядає краще, так як дозволяє мати запас по потужності, залишаючись у рекомендованому діапазоні швидкості пари.
Парна труба для сорочки – 18х1, кільцевий зазор становитиме 1 мм.
Швидкість подачі води: 4,8*2=9.6 см3/с.
Площа кільцевого зазору – 3.14/4* (16*16 – 14*14) = 47.1 кв. мм = 0,471 кв. див.
Лінійна швидкість – 9.6/0.471 = 20 см/с – значення залишається у рекомендованих межах.
Якби кільцевий проміжок був 1,5 мм – 13 см/с. Якщо 2 мм, то лінійна швидкість впала б до 9.6 см/с і довелося б подавати воду вище за номінальний об'єм, виключно для того, щоб не завозявся холодильник, - безглузда витрата грошей.
Висота сорочки – 3183*2/14 = 454 мм або 45 см. Коефіцієнт запасу не потрібен, все враховано.
Підсумок: 14х1-18х1 з висотою частини, що охолоджується 45 см, номінальна витрата води - 9.6 куб. см/с або 34.5 літри на годину.
При номінальній потужності 2 кВт нагрівання холодильник видаватиме 4 літри спирту на годину з добрим запасом.
Ефективний та збалансований прямоточник при дистиляції повинен мати співвідношення швидкості відбору до потужності нагріву та витрати води на охолодження 1 л/год – 0,5 кВт – 10 літрів/год. Якщо потужність вища, будуть великі втрати, мала - корисна потужність нагріву знизиться. Якщо витрата води вища, то прямоточник має неефективну конструкцію.
Ректифікаційну колону можна використовувати як бражну. Обладнання для бражних колон має свої особливості, але друга перегонка відрізняється переважно технологією. Для першої перегонки особливостей більше і окремі вузли можуть виявитися не застосовними, але це тема окремої розмови.
Виходячи з реальних домашніх потреб та існуючого асортименту труб, розрахуємо за наведеною методикою типові варіанти колони ректифікації.
P.S.Висловлюємо подяку за систематизацію матеріалу та допомогу у підготовці статті користувачеві нашого форуму.
Ректифікаційна колона – це складне технічний пристрій. Виготовити її складніше, ніж стандартний самогонний апарат. Але в домашніх умовах це можливо. І хоча ректифікаційні колони вільно продаються, не всі мають змогу їх придбати. До того ж будинки, особливо у сільській місцевості, повно підручних матеріалів, з яких можна зробити працездатну конструкцію та насолоджуватися напоєм власного приготування. Самостійна конструкція обійдеться приблизно в 2-3 рази дешевше за покупний міні-спиртзавод.
Складові частини конструкції
Саморобний апарат має такі ж функціональні частини, як його заводський аналог. Конструкція колони складається з наступних елементів:
- Корпус.
- Дефлегматор (холодильник).
- Насадки.
- Тепловий ізоляційний матеріал
- Електронні помічники.
Самогонний апарат в цілому додатково містить:
- Змійовик.
При правильному самостійному виготовленні колони ректифікації вона встановлюється на будь-який бак ємністю від 20 л. Оптимальний обсяг знаходиться в межах від 20 до 50 л, так показує розрахунок. З використанням бака меншого обсягу колону вдасться лише прогріти до робочої температури й одержати половину можливого виходу продукту.
Використання бака оптимального об'єму дозволяє легко налаштувати оптимальну температуру. Цей параметр при ректифікації є основним виробництва якісного продукту. Крім цього, підготовка до вигону 2-3 л самогону займе стільки часу, скільки і на 8-10 л. Навіщо використати час неефективно, якщо можна вигнати більше? До того ж у своїй знижується собівартість продукту.
Принцип роботи колони
Брагу заливають у куб, який нагрівають. В результаті виділяється пара з вмістом спирту. Пара легша за рідину і піднімається вгору колони. Там знаходиться дефлегматор, що охолоджується проточною водою. В результаті пара конденсується і стікає вниз, але на шляху потрапляє на спеціальні елементи. Брага в той же час продовжує кипіти, і пари її надходять догори, де перемішуються з конденсатом. Цей безперервний процес називають ректифікацією. Не гірше саморобний самогонний апарат: ректифікаційна колона, виготовлена своїми руками, матиме такі ж властивості, що й заводський виріб, при дотриманні параметрів конструкції.
Внаслідок ректифікації конденсат, який називають флегмою, насичується парами. А пара, навпаки, насичується флегмою. Внаслідок такого обміну вгору піднімаються найлегші частинки пари, які мають високу концентрацію спирту. Його температура кипіння нижче води. З вершини колони спиртові пари відводяться в дефлегматор для очищення та насичення, а далі – в холодильник. В результаті виходить чистий самогон.
Особливості перегінного куба
Для перегінного куба підійде ємність, яка відповість наступним запитам:
- Складається з нержавіючої сталі.
- Має відповідний об'єм – 15-20 л.
Початківці застосовують скороварку, але для оптимальної роботи колони потрібна ємність більше.
Підігрів куба:
- електрикою.
- Газом.
Багато хто вирішить встановити куб на кухонну плитуале може перешкодити висота колони. Тому оптимально розмістити куб на підлозі. Відповідно, нагрівати брагу краще електрикою.
Регулювати потужність електропідігріву простіше. Я для цього встановив куб ТЕН, а регулятор напруги взяв зі старого телевізора. У роботі спрацьовує принцип Шательє - при більшому нагріванні в тіло продукту потрапляють сивушні олії. Вони небезпечні. Тому потрібно стежити за нагріванням, і автоматика із цим справляється краще.
Зверніть увагу!Наявність плавного регулювання потужності нагрівання браги значно полегшить життя. Інакше добитися від апарату стабільної роботи буде неможливо.
Застосування автоматичних системконтролю не є крайньою необхідністю. Для цього краще наростити досвід самогоноваріння. Тому спочатку досить простого регулятора потужності нагрівання браги.
Але згодом можна автоматизувати процес. До того ж, багатьом людям катастрофічно не вистачає часу. І система автоматики в цьому випадку – хороша підмога. Процес варіння самогону йтиме з мінімальним втручанням людини. Готове технічне рішення, яке не допустить попадання хвостів у продукт, можна придбати у спеціалізованому магазині. Завдання такої системи - перекрити відбір ректифікату в той момент, коли температура в колоні перестає бути оптимальною.
Пристрій та збір конструкції
Питання самостійного виготовленняректифікаційної колони розглянуто наполовину Тепер потрібно братися за основні складові конструкції.
Царга системи ректифікації складається з:
- Труби, що має утеплювач та насадку.
- Дефлегматор. Включає вузол відбору продукту, сорочку охолодження та датчик температури.
- Штуцери для зовнішнього зв'язку.
Спирт - це летюча речовина, яка легко спалахує. Вгорі колони є отвір для зв'язку з атмосферою. Не можна залишати його відкритим. Потрібно вставити в нього трубочку, а на неї вдягнути гумову трубку. Використовувати можна і джгут.
Кінець трубки варто опустити в ємність із водою. Наявність бульбашок покаже, чи поширюється спиртова пара за межі пристрою. При надмірному тиску, а воно виникає через перегрівання, це допоможе уникнути нещасного випадку.
Трубка колони
Це сама насадка для колони. Тут відбувається процес взаємодії холодної флегми та гарячої пари. Щоб збільшити площу контакту цих речовин застосовують наповнювач. Найпоширеніший наповнювач – металеві мочалки для миття посуду. Але підійде будь-яка дріт з нержавіючої сталі. Щільність набивання – близько 250 г на 1 л обсягу колони.
Зверніть увагу!При використанні мочалок як наповнювач необхідно переконатися в їх якості - прокип'ятити шматок мочалки в сольовому розчині. Якщо виріб виконаний з іншого металу, а не з нержавіючої сталі, то з'являться ознаки корозії. Розрізати виріб перед випробуванням обов'язково - виробники хитрують і часом наносять тільки захисний шарз нержавіючої сталі. Внутрішня структура має бути оголена.
Розмір труби:
- Мінімальний діаметр – 32 мм.
- Довжина треби впливає якість поділів на фракції. Чим довше, тим краще поділ.
- Оптимальна висота – 40-60 діаметрів.
- Мінімальна висота – не менше 20 діаметрів.
Зовні трубу обертають термоізолюючим шаром.
Щоб наповнювач надійно закріплений усередині труби, слід на неї знизу і зверху поставити сітку з нержавіючої сталі. На трубі має бути різьблення для закріплення знизу на перегінному кубі, а зверху – для приєднання до дефлегматора.
В ідеалі висота має бути 1,5 м. Це дозволить отримувати чистий спирт. Стандартне виконання – 2 царги по 80 см.
Наповнюю заспів апарат мочалками, а закріплюю їх чайним ситечком. При цьому тиск не скаче. Швидкість виходу – до 1 л на годину. Перегонка не така важка, як здається.
Дефлегматор
У дефлегматорі конденсуються легкі фракції. Конструкції пристрій може мати різні. На практиці найпростішим є прямоточний дефлегматор. Його ще називають сорочковим чи холодильником конденсатором. В інтернеті представлені креслення дефлегматора, але простіше зробити варіант, який описаний нижче.
Виконано конструкцію з двох труб, які мають різний діаметр і вставляються одна в іншу. Між ними встановлюють сорочку охолодження.
складники:
- Штуцери для підведення та відведення води охолодження.
- Зверху трубка для зв'язку з атмосферою.
- Внизу - штуцер для відбору продукту.
Зверніть увагу!Щоб якість продукту не постраждала, використовуйте як штуцер відбору та ущільнювача тільки трубки та прокладки з силікону.
Матеріалом для виготовлення дефлегматора може бути старий термос або звичайні нержавіючі труби. Внутрішня труба дорівнює діаметру насадочній трубці. Нема під рукою зварювання - користуйтеся паяльником.
Зверніть увагу!Фахівці рекомендують використовувати для самогонних апаратів мідь чи титан. Справа в тому, що мідь абсорбує оксид сірки, а це покращує властивості самогону. Але цей матеріал дорогий і працювати в домашніх умовах без зварювання з ним складно.
Вузол відбору продукту – це шайба, яка вварена у внутрішню трубку дефлегматора. Розташована знизу. Вузол відбору повинен містити отвори:
- Для трубки відбору.
- Для термометра під час його використання.
Для досвідчених термометр може не знадобитися. А ось новачкам бажано його встановити. Робочий діапазон колони - 45-55 градусів води, що охолоджує. Заміряти температуру можна на стику дефлегматора та царги. Тоді показники мають бути в районі 77-81 градусів.
Перед завершенням вигону температура зазвичай стрибає.
Для ефективного охолодження слід застосувати шнекову спіраль. Тоді проточна вода якісніше обгинатиме дефлегматор.
Вибір холодильника
Зверніть увагу!Використання холодильника Дімрота недоцільно. Конструкція відрізняється тим, що речовини із малою температурою кипіння можуть проскочити зону охолодження. Димротний холодильник хороший для тих рідин, що киплять при температурі понад 160 градусів.
Повітряний холодильник не слід застосовувати. Охолодження у разі буде неефективним. Так було б, якщо до колони ректифікації причепити сухопарник. Але в цьому типі апарата він не потрібний.
Лабораторний скляний охолоджувач – ідеальний альтернативний варіант. Його можна придбати у будь-якому магазині лабораторного посуду. Щоб регулювати швидкість відбору продукту, трубку від дефлегматора до холодильника слід устаткувати краником. Можна використовувати затискач від краніка.
Послідовність з'єднання:
- Низ холодильника.
- Холодильник
- Верх холодильника.
- Верх дефлегматора.
- Дефлегматори.
- Низ дефлегматора.
- Стік.
За таким маршрутом рухатиметься проточна вода, що охолоджує. Важливо, щоб вона потрапила до сорочки дефлегматора теплою.
Ідеальна конструкція самогонного апарату з відділенням сивушних масел – це ректифікаційна колона. При дотриманні температурного режимуу ній можна отримати найчистіший продукт. Але він буде позбавлений своєрідного смаку.
А ось у звичайному самогонному апараті – дистиляторі – можна отримати самогон з яскраво вираженим букетом. Для цього у конструкції використовують сухопарник. Але є нюанс - з букетом ароматів самогон-дистилят може містити домішки сивушних олій.
Увага, тільки СЬОГОДНІ!
