Принцип работы ректификационной колонны

Устройство и принцип работы ректификационной колонны

Как сделать ректификационную колонну волнует многих домашних винокуров. А ведь небольшой миниспиртзавод для дома можно сделать самостоятельно, намного сэкономив при покупке готового комплекта.

Сумма буде в 2-3 раза меньше если вы решите сделать ректификационную колонну самодельную. Все детали, как устроена ректификационная колонна и чертеж подробно описаны ниже.

Каждый домашний миниспиртзавод состоит из:

1. Перегонный куб;
2. Царга;
3. Насадка;
4. Узел отбора;
5. Дефлегматор;
6. Холодильник;
7. Царга пастеризации (опционально);
8. Автоматика.

Царга

Находится в основании колонны и является одной из основных ее частей. Внутри нее протекает газо-жидкостный массообмен – одно из основных явлений в процессе ректификации.

Происходит это следующим образом:

• Жидкость, закипая в —перегонном кубе—, испаряется и в газообразной форме проходит через царгу.
• Пар, дойдя до дефлегматора, охлаждается и конденсируется на его стенках.
• Конденсат стекает сначала по стенкам дефлегматора, а потом и по стенкам царги обратно в куб.
• В этот момент между стекающим конденсатом и восходящим паром происходит газо-жидкостный массообмен. Он заключается в передаче тепла и некоторого количества испаренных веществ от пара к конденсату. Под таким воздействием часть флегмы – ее легкокипящие составляющие: спирт и небольшая доля воды вновь испаряются, не доходя до перегонного куба, а более труднокипящие: сивушные масла и другие примеси продолжают стекать в перегонный куб.

Таким образом в верхней части колоны скапливается в основном спирт, а примеси в основном циркулируют в нижней части агрегата. Как следствие, на выходе получается ректификат с крепостью около 95%.

В ректификационной колоне может быть как одна царга, так и несколько. При этом чем выше колонна, тем больше площадь, на которой проходит массообмен между флегмой и паром, что в свою очередь улучшает качество получаемого продукта.

Внутри царги находятся насадки, на поверхности которых и происходит основной массообмен. Изделия из нержавейки хорошо подходят для сахарной и зерновой, а медные – —для фруктовой браги—.

Кроме насадок внутри царги могут размещаться тарелки, которые еще больше увеличивают площадь, на которой проходит газо-жидкостный массообмен, что сказывается на качестве получаемого ректификата.

Стенки царги могут иметь дополнительный подогрев, усиливающий испарение флегмы, не попавшей на насадки и тарелки. Такое дополнение также улучшает качество конечного продукта.

Дефлегматор

Верхняя часть ректификационной колонны, отвечающая за сбор и охлаждение восходящих паров до флегмы. Отсюда конденсировавшаяся жидкость стекает вниз в царгу.

Дефлегматор может быть выполнен по нескольким принципиальным схемам, самой простой является пленочный вариант, а одной из самых популярных – холодильник Димрота,

Узел отбора

Отвечает за сбор части конденсировавшейся флегмы и ее вывод наружу в тару для сбора. В зависимости от настроек узла отбора варьируется и количество отбираемого конденсата. Чем меньше его отбор, тем выше качество ректификата.

Термометр

В ректификационной колонне, в отличие от стандартного самогонного аппарата, является обязательной составной частью системы. Дело в том, что ректификация – это очень тонкий процесс, сильно зависящий от поддержания правильной температуры.

Перегонный куб с ТЭНами

Хотя ректификационная колонна может использоваться и с обычным кубом на газовой, электро- или индукционной плитке, значительно лучше оборудовать ее ТЭНовым агрегатом.

По другому испарительный куб,в него заливается сырец(самогон) для ректификации. Куб также является прочным основанием для колонны, вес колонны с насадкой достаточно велик. Для домашнего использования обычно используется емкость 15-50 литров. Куб может быть универсальным подходящим для перегона браги и спирта, в этом случае целесообразно использовать большую емкость 30-50 литров.

При изготовлении куба часто используются пивные кеги из «нержавейки» на 30 и 50 литров или пищевые котлы.

Емкость должна быть оборудована нагревательным элементом, в качестве которого используется ТЭН или два ТЭНа мощностью 1-3 кВт. В качестве источника нагрева можно использовать электоро или индукционную плитку с возможностью регулировки мощность нагрева.

На кубе устанавливается термометр для внутреннего контроля кубовой жидкости. Для уменьшения тепло потерь, рекомендуется утеплить куб снаружи.

Что такое ректификация

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

Ректификация представляет собой процесс разделения бинарных, многокомпонентных или непрерывных смесей на практически чистые компоненты или их смеси (фракции), отличающиеся температурами кипения (для бинарных и многокомпонентных смесей) или интервалами выкипания (для непрерывных смесей).
Анализ фракций нефти и нефтепродуктов на содержание в них индивидуальных углеводородов и их классов показывает, что нефть и ее фракции представляют собой сложную многокомпонентную смесь. Количество компонентов в нефти превышает 2000. Из-за большого количества компонентов нефть принято считать непрерывной смесью и выражать ее состав кривой истинных температур кипения (ИТК), имеющей плавный, непрерывный характер.

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

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

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

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

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

Ректификационная колонна или самогонный аппарат

Чтобы определиться, стоит ли изготавливать ректификационную колонну, или можно ограничиться обычным самогонным аппаратом, следует сравнить характеристики этих устройств (рисунок 3).

Обычно в расчет принимаются такие критерии:

1. Качество конечного продукта: с помощью самогонного аппарата получается спирт, качество (включая вкус и запах) полностью соответствуют изначальному качеству браги. С помощью ректификационной колонны получают спирт высочайшего качества без постороннего вкус и запаха.
2. Крепость спирта: самогонный аппарат позволяет получить спирт крепостью 40-65% в зависимости от качества сырья и количества перегонок. В любой ректификационной колонне спирт достигает средней крепости 93-95%.
3. Очистка от вредных веществ: в самогонном аппарате средняя, поэтому даже готовую водку в дальнейшем фильтруют. Если используется ректификационная колонна, необходимости в такой процедуре нет, так как все вредные соединения удаляются еще во время перегонки.

Из этого списка видно, что использовать ректификационную колонну действительно выгоднее, чем самогонный аппарат. С другой стороны, изготовление даже самой простой конструкции требует покупки специальных материалов и четкого соблюдения технологии.

Как сделать ректификационную колонну в домашних условиях.

Рисунок 3. Ректификационная колонна позволяет получить спирт более высокого качества для производства элитного алкоголя

Чтобы сделать простую ректификационную колонну, нужно детально изучить ее конструкцию, закупить подходящие материалы и заготовить чертежи, по которым будет проводится сборка.

Необходимые материалы

Для начала необходимо запастись подходящими материалами. Как уже говорилось выше, ректификационную колонну лучше делать из меди или из нержавейки (рисунок 4).

Эти металлы не вступают в химическую реакцию с парами спирта и не испортят вкус готового напитка.

Итак, из материалов понадобятся:

• труба из меди (диаметр 30-50 мм, длина 130-140 см);
• губки из нержавейки;
• упорные шайбы;
• металлическая сетка;
• пенополипропилен;
• термометр.

Рисунок 4. Материалы, необходимые для изготовления

Лучше запастись материалами с запасом, чтобы в процессе изготовления не возникло непредвиденных трудностей.

Рекомендации по сборке

Медные ректификационные колонны, изготовленные дома, по функционалу не уступают тарелочным моделям промышленного производства. Собирать такой агрегат самому сложнее, чем обычный самогонный аппарат, но качество спирта приятно удивит любого ценителя домашнего алкоголя (рисунок 5).

Сборка осуществляется так:

1. Медную трубу разрезают на две равные части и у каждой зачищают края. Между ними создают соединение. Оно может быть резьбовым, но обязательно разборным. Таким образом, одна часть трубы будет выполнять роль царги, а вторая – корпуса дефлегматора.
2. На трубу-царгу с обеих концов устанавливают сетки и упорные шайбы. Именно они помогут удерживать наполнитель внутри.
3. Губки из нержавейки режут небольшими кусочками по 5-15 мм каждый. Этими фрагментами наполняется труба. Чтобы стружка внутри не сдавливалась, на 1 л объема царги берут не более 280 граммов кусочков.
4. Когда труба будет наполнена, сетки и шайбы устанавливают на место, а царгу крепят к перегонному кубу.
5. Вторую часть трубы оборудуют вторичным полым корпусом. Внутри него будет циркулировать вода. В качестве такого корпуса используют трубу с диаметром на 10-20 мм шире основной. При этом вторичная должна быть на 30 мм короче. Длинную трубу располагают внутри короткой, вверху и внизу приваривают кольца, внешний диаметр которых должен равняться толщине трубы (30-50 мм) плюс 10-20 мм толщины холодильника. Внутренний диаметр должен точно соответствовать толщине трубы.
6. Во вторичном корпусе просверливаются два отверстия (под подачу воды и обратку). Потом приваривают патрубки.
7. Сверху на дефлегматор устанавливают крышку. В ней делают отверстие для атмосферной трубки.
8. Для узла забора просверливают отверстие на расстоянии 20 мм от места соединения царги с дефлегматором. Внутри последнего на уровне отверстия приваривают кольцо. С его помощью готовый продукт будет собираться и стекать в узел отбора.
9. Внешний холодильник изготавливают так же, как в самогонном аппарате и подключают с помощью трубки от капельницы с регулятором к узлу отбора.
10. Царгу и куб обшивают пенополипропиленом для дополнительной теплоизоляции. Термометр устанавливают в нижней части царги, чтобы была возможность измерить температуру внутри нее.

Рисунок 5. Сборка должна проводится в точном соответствии с чертежами

Собирать готовый продукт можно в любую емкость, но лучше использовать стеклянную.

Устройство колонны

Сначала нужно определить, что это такое. Это конструкционный узел, который позволяет очистить самогон от посторонних примесей. При установлении царги на самогонный аппарат на выходе получается практически чистый спирт. Процессом приготовления самогона является теплообмен спиртосодержащих паров и конденсата, который приводит к тому, что продукт очищается в 10–15 раз лучше.

Очистка спирта происходит тогда, когда есть поток пара из перегонного куба и стекающий конденсат на голове колонны. Отбор спирта осуществляется только из жидкой фазы.

Если пар не подпитывается флегмой, теплообмен невозможен и не произойдет отделения спирта от других веществ. Для того чтобы подпитывать флегму, необходим дефлегматор. После него ставится конденсатор, который представляет собой полую часть трубки, где жидкость охлаждается до определенной температуры. Наравне с дефлегматором должны были установлены воздушники, так называемые ловушки на спирт, которые вытягивают некондиционный спирт и выводят наружу газы.

Поскольку спирт в этом случае собирается в жидкостной фазе, то для его следующего охлаждения хватит небольшой холодильной установки. Основное отличие царги, предназначенной для ректификации, от обычной заключается в том, что процесс дефлегмации идет очень медленно. В это время постоянный теплообмен пара и жидкости обеспечивает более качественное разделение на фракции, более чистый продукт.

Требований для изготовления колонки много. Чтобы упростить конструкцию, многие от них отходят. К чему приводят нарушения и отклонения?

• Среди таких отклонений можно выделить дефлегматор, который может быть неуправляемым. Такая бражная колонна была установлена в устройстве «Малютка», где была упразднена управляемость для того, чтобы сделать аппарат более компактным, а дефлегматор и конденсатор представляли собой единую емкость, к которой была подключена проточная вода. Такая схема не разрешает регулировать процесс с помощью дефлегматора, поэтому разделение при этом хуже.
• Еще одним отклонением является малая утилизационная мощность дефлегматора. Существуют такие аппараты, где все вроде бы присутствует, но дефлегматор настолько маломощный, что не позволяет провести нормальное разделение. Складывается впечатление, что производители данных приборов абсолютно не понимают, для чего нужна укрепляющая колонна и делают ее присутствие бесполезным.
• Малая высота колонны. Малая высота обычно позволяет сделать прибор компактным и давать возможность установки на газовую плиту, если над ней имеется вытяжка и так далее. Однако в этом случае разделение будет значительно хуже и это сразу нужно понимать. Можно сказать, что повторная дистилляция будет более эффективной, чем такая укрепляющая колонна.

Таким образом, следует подчеркнуть, что всегда имеют смысл многие дополнительные устройства к самогонному аппарату, в том числе и укрепляющая колонна. Она позволяет получить намного более чистый продукт и сделать это в двукратную перегонку. Этого получить на обычном самогонном аппарате нельзя, не оставшись с большим количеством сивушных масел и других вредных примесей. Такую колонку несложно сделать самостоятельно, ее конструкция не представляется таких сложностей, как ректификационная. Однако не дает на выходе спирт-ректификат. Зато перегнанный продукт на самогонном аппарате с укрепляющей колонной будет обладать своим изначальным ароматом и привкусом, например, когда готовится из фруктового или зернового сырья.

Источник

Преимущества и недостатки

Стандартный аппарат для производства самогона имеет следующие плюсы:

1. Простейшая конструкция, принцип действия понятен всем пользователям, можно изготовить самостоятельно без больших финансовых затрат.
2. Большое количество рецептов, которое идет в комплекте с готовой моделью, но можно значительно расширить их, изучив рецептуру в интернете.
3. Высокая надежность конструкции и всех материалов.
4. Низкая стоимость, которая особенно влияет на широкую доступность для всех слоев населения.

Ректификационные колонны имеют свои преимущества:

1. Получение чистого продукта без запаха и посторонних примесей.
2. Крепость конечного продукта намного выше, чем у простого аппарата.
3. Применяется для выделения спиртосодержащей жидкости из браги на основе сахара, т. к. именно там много посторонних примесей и запаха.

В сравнении классический аппарат имеет больше негативных особенностей:

• невысокая производительность;
• низкий процент содержания спирта — не более 70%;
• малая степень очистки при первичной перегонке;
• опасность при несоблюдении мер безопасности.

У ректификационных колонн только один недостаток — большая высота конструкции.

Вторая перегонка

Двойная перегонка подразумевает использование «тела». Именно эта часть содержит то количество примесей, от которых легко избавиться в процессе фильтрации. Чем тщательнее будет проходить дистилляция, тем меньше шансов получить отравление напитком. А вот качественный самогон, очищенный по правилам, несет в себе не больше опасности, чем алкоголь из магазина, а пить его легко.

Некоторые винокуры, которые знакомы с производством чачи, уже не один год подвергают переработке не только «тело», но и «хвосты». Для самого процесса, кроме сырья, появятся и другие требования к самогонному аппарату для вторичной перегонки — он должен иметь несколько режимов переключения температур.

Перед второй перегонкой нужно подготовить фракции продукта и довести их до кондиции по крепости. Для того требуется:

• разбавить водой фракцию «тело» до 20 градусов;
• фракцию «хвосты» нужно развести до 10 градусов.

Это объясняется тем, что чем меньше крепость напитка, тем лучше от него отделить тяжелые элементы или масла. Если градус продукта высокий, его будет сложнее перегонять, поскольку увеличиваются риски взрыва вещества. Даже крепость в 45-50 градусов не может гарантировать удаления всех примесей. Также есть требования к воде, поскольку именно она будет разбавлять вкус вина. Поэтому критерии выбора воды такие:

• талая вода или жидкость из родника (по возможности);
• не берите для этих целей кипяченую или дистиллированную воду;
• вода из-под крана должна отстояться в комнате несколько дней;
• температура воды — от 10 до 20 градусов по Цельсию.

Чтоб вторичная перегонка прошла быстро и удачно, лучше проводить действие в самогонном аппарате. Чем мощнее будет устройство и качественнее проработаны все фильтры, чача получится более безопасной и насыщенной по вкусу. Главное в этом процессе — не «потерять» аромат вина, повысить крепость и уменьшить количество примесей.

Предлагаем ознакомиться Как разбить и оформить красивый цветник перед домом на даче

Хорошо проводить вторую перегонку чачи с сухопарником. Сухопарником называют специальную емкость между баком и холодильником. Именно через нее проходят пары, которые потом накапливаются в резервуарах для сбора напитка. А вот остальные вещества, которые конденсируются при высоких температурах, осаждаются в другие емкости и выходят по отводной трубе. В обычной кастрюле такого эффекта не получается, поэтому чача менее качественная.

Существует и аналог сухопарника. Он называется барботером. Процесс занимает столько же времени, как и перегонка на аппарате, но продукт на выходе отличается высоким качеством. Внутри прибор заполнен жидкостью, поэтому пары самогона, которые проходят через него, дополнительно очищаются и оседают в резервуарах.

А повторить этот процесс можно и дома. Вторичная перегонка мало чем отличается по этапам от получения первичной чачи. Чтоб знать последовательность действий, можно использовать алгоритм:

• Первым делом нужно быстро разогреть куб с сырьем до 60 градусов по Цельсию.
• Далее на маленьком огне напиток нужно подогреть до 85 градусов.
• Слитие фракции “голова” — следующий этап производства. Фракция занимает 50 миллилитров на литр чистого спирта.
• Дальнейшая температура нагревания должна повыситься до уровня 96%.
• Часть с названием “тело” извлекается. Но чтоб отделить ее от “хвоста”, нужно следить за показателями крепости. Как только в резервуаре окажется частица самогона с показателем 40 градусов, это значит, что к процессу присоединился ненужный “хвост”.
• Конец перегонки должен проходить при температуре напитка 100 градусов по Цельсию. “Головы” нельзя использовать в принципе, а вот “хвосты” можно отправить на очередную перегонку.

Вторичная перегонка занимает примерно такое же время, что и первичная, но сырья получается еще меньше. К самому процессу следует отнестись серьезно, поскольку он отвечает за безопасность итогового продукта.

Второй раз перегоняют с отделением головных и хвостовых фракций. Таким образом избавляются от вредных и даже опасных побочных продуктов брожения (метилового спирта, уксусного альдегида, муравьино-этилового эфира и т. д.). Их ещё называют «сивушными маслами».Первые 12–15% спирта головной фракции собирают отдельно и выливают, так как это вредная фракция, которую категорически запрещается пить. Оставшийся продукт перегоняют до температуры в кубе примерно 95 градусов. Ориентируются при этом на аромат.

Оставшиеся «хвосты» собирают отдельно до тех пор, пока температура в кубе не поднимется до 99 градусов. Вторая перегонка проводится до содержания спирта 40%

Как добиться лучшего результата?

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

Особо следует выделить мероприятия в следующих направлениях.

Исключение «захлебывания» установки

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

Явление может провоцироваться такими причинами:

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

Избежать данного неприятного явления помогает установка автоматического контроля и регулирования процесса

Особое внимание уделяется нагреву сырья и наполнению куба

Своевременное выведение готового продукта и оседающих тяжелых фракций

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

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

Правильная подготовка установки к пуску

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

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

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

При изготовлении установки своими руками нельзя допускать потери тепловой энергии через корпус колонны

Особенно важно защитить нижнюю часть, т.е. зону до первого дефлегматора

В качестве теплоизоляции рекомендуется использовать:

• пенопласт,
• пеноизол,
• современные фольгированные утеплители.

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

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