Ректификационная колонная это довольно сложная система в основе которой лежат физические законы. Зная их, можно эффективно управлять процессом и оптимизировать его при необходимости. Сегодня мы расскажем все о тех принципах, на которых базируется работа современных ректификационных колонн.
Начнем с понятия ректификации. Ректификацией называется процесс разделения жидкостей, состоящих из нескольких составных частей на отдельные компоненты. В основе данного процесса лежит т. н. тепло-массообменные. За счет него происходит разделение веществ. Последние различаются массой и температурой кипения.
В промышленности ректификация используется главным образом при перегонке нефти. Ректификация используется для выделения различных полезных компонент таких как бензин, керосин, солярку и других.
Процесс ректификации
Ректификация протекает при высоких температурах. При их воздействии жидкость, находящаяся внутри специального бака (перегонного куба) начинает постепенно преобразовываться в пар. Пары устремляются вверх по колонне направляясь к теплообменнику (дефлегматору). По пути туда они успевают частично остыть. Остальные достигают цели и уже в теплообменнике охлаждаются до жидкого состояния. Жидкость (флегма) начинает обратный путь в куб.
По пути к дефлегматору пары могут контактировать с медными частями. Это могут быть тарельчатые элементы или специальные наполнители (РПН и СПН). Благодаря взаимодействию С физической точки зрения ректификация представляет собой взаимодействие 2х фаз: жидкой и парообразной. Изначально концентрация веществ максимальна в жидкой фазе, однако в ходе ректификации концентрация компонентов, давление и температура приводятся к равновесию.
Равновесие предполагает выстраивание фракций в виде градиента. В верхней части собираются самые легкие (разделенные) фракции. Температура кипения этих фракций довольно малая и как правило к таким компонентам относят метиловый спирт, уксусный альдегид и эфиры. Что же касается нижней части колонны то здесь напротив собираются самые тяжелые фракции. Как правило их отличает высокая температура кипения. В данном случае речь идет о сивушных маслах. Мы описали лишь статическую картину. По факту же фракции в нижней части колонны
Понятия ректификации
Недоректификат — продукт ректификации крепостью до 96 градусов. Крепость продукта
Спирт-сырец — промежуточный продукт, полученный методом простой (или ускоренной) дистилляции, который можно подвергать дополнительной перегонке в ректификационной
Флегмовое число — характеристика, которая показывает концентрацию спиртовых соединений внутри колонны. Чем выше флегмовое число тем более высокое разделение возможно внутри колонны. В самом начале работы продукт не выводят за пределы колонны. Это делается для того, чтобы повысить концентрацию флегмы внутри и увеличить концентрацию флегмовое соединений внутри колонны и как следствие повысить флегмовое число. Для работы установки флегмовое число должно быть не менее 3.
Теоретические аспекты ректификации
У смесей входящих в состав исходного сырья разная температура кипения. Это говорит нам о том, что эти самые смеси доходят до верхней точки колонны в разные промежутки времени. Вначале выходят вещества с более низкой температурой кипения. К ним можно отнести эфиры, спирты и альдегиды. Потом выходят вещества с более высокой температурой кипения. К ним можно отнести разные тяжелые компоненты такие как сивушные масла. Иными словами Чуть выше мы уже упоминали «равновесие» в контексте в ходе эксплуатации колонны важно учитывать температуру кипения разных примесей входящих в состав исходного сырья. Равновесие — это разделения смесей между паром и жидкостью. Это очень важное понятие поскольку именно в состоянии равновесия происходит наиболее эффективное разделение. Иными словами, разделительная способность колонны определяется ее возможностями поддержания состояния равновесия при разделении смесей. Чтобы поддерживать такое состояние необходимо соблюдение 2х условий:
1) давление отдельных компонентах в смеси должно быть выровнено
2) Температура и концентрация веществ в обоих фазах должна быть выравнены
Соблюдение этого условия можно увидеть на графике.
График показывает соотношение объема водно-спиртовой смеси к объему пара. По оси x показана концентрация спиртов в воде. Что касается оси Y то на ней показана концентрация паров. Синяя прямая отображает точку равновесия, соотношения жидкой и паровой фазы. Данный показатель лучше воспринимать как некую абстракцию поскольку реальная картина отличается соотношения концентрации спиртов в пару. Так, если мы берем бинарную смесь с концентрацией спиртов 10% (бражка), то равновесие будет достигнуто ровно тогда, когда 53%
Можно заметить сразу несколько ступенек на графике:
10-53 53-82 82-88 88-92
Они отображают разделительную способность и берут за основу т. н. точку азеонтропа. Данная точка равна 97,2%. По факту это состояние, при котором кипящая смесь не поддается разделению. Водно-спиртовая смесь с близким значением крепости именуется спирт-ректификат. Исходя из данных графика, чтобы достичь параметров спирта-ректификата спиртовую смесь 10% нужно прогнать по крайней мере 10 раз на дистилляции. На самом деле это довольно хлопотно и экономически невыгодно. По этой причине куда эффективнее использовать ректификационную колонну. Отличие заключается в том, что процесс дистилляции многократно дублируется в разных частях колонны.
Работа ректификационной колонны
Ректификационная колонна (далее РК) это система предназначенная для разделения многокомпонентных жидких смесей на отдельные части разделяя их на основе температуры В составе колонны может быть сразу множество отдельных элементов. К ним можно отнести Контактные устройства
Контактные устройствами так же именуют наполнителями. Они замедляют процесс взаимно обогащения спирта и пара и тем самым повышают разделительную способность колонны. Проще говоря, чем больше наполнителей установлено в колонну, тем эффективнее проходит ректификация.
Контактные поверхности могут быть нескольких типов. Это может быть регулярная проволочная насадка Панченкова или же спирально-призматическая насадка Селиваненко. Так же для этой же цели могут использоваться и контактные устройства тарельчатого типа.
У самогонных аппаратов колонного типа имеется несколько важных показателей которые следует учитывать.
Производительность. Во многом этот параметр зависит от мощности нагрева поскольку именно нагрев провоцирует скорость движения потока пара и флегмы. Здесь важно заметить, что при превышении максимальной производительности колонна захлебывается и прекращает работать. Среднее значение производительности в домашних ректификационных системах составляет 1 литр в час при мощности 1 кВт
Давление. Данный параметр оказывает влияние на температуру кипения жидкостей. Для ректификации должно быть соблюдено условие, согласно которому давление вверху колонны должно быть приближено к атмосферному 720-780 мм.рт.ст. Если это условие не соблюдается снижается плотность паров и увеличивается скорость испарения, а это прямая причина захлеба колонны. Напротив, если давление будет высоким скорость испарения упадет, и работа устройства станет неэффективной. Для того чтобы выровнять давление колонна использует трубку связи с атмосферой.
Исходное сырье. Для ректификации следует использовать спиртосодержащую смесь. Спиртуозность должна варьироваться в диапазоне от 35 до 45%. Иными словами, бражку следует изначально перегнать в спирт-сырец и только после этого его можно подвергнуть ректификации.
Эксплуатация колонны Для начала следует довести концентрацию спиртовых соединений до максимума. Для этого колонне следует дать какое-то время поработать на себя. Общее время такого нагрева может варьироваться от 20 до 60 минут. На протяжении этого времени следует активно следить за показаниями термометра. Колонна достигает стабильности при равной температуре, т. е. если на протяжении 10 минут температура не меняется, то это может говорить о том, что можно начинать отбор.
Вначале отбору подлежат головные фракции. К ним относятся такие примеси как альдегиды, метиловый спирт и эфиры. Сразу за головами начинает выходить тело. Сразу за ним выходят хвосты. Последние практически не содержат спирта и поэтому их довольно просто распознать по запаху. Отбор можно вести на основе процентного содержания веществ. Так головы занимают примерно 5% отбора в то время, как хвосты могут быть более 20%. Так же немаловажно следить за крепостью.
В ходе эксплуатации колонны важно учитывать температуру кипения разных примесей входящих в состав исходного сырья. В ходе стабилизации колонны все фракции выстраиваются в своего рода очередь. В качестве градации здесь используется температура. Рядом с баком она максимальная. По мере удаления от него она понижается. Соответственно зная эту особенность можно вычислить ту примесь которая в текущий момент времени подвергается сбору.
На практике это позволяет повысить точность отбора. По факту теперь мы работаем не просто с абстрактными «головами» или же «хвостами» а с отдельными примесями входящими в состав исходного сырья. Раздельный отбор примесей У каждой примеси имеется своя температура кипения и как следствие для мониторинга примесей находящихся в паровой фазе следует использовать термометр. Так же следует открыть отбор на минимум. При этом начнут постепенно выходить различные примеси. Их можно отслеживать по 2м параметрам: температура кипения (отслеживается на термометре) и объем (отслеживается на основе приемной емкости оснащенной соответствующими отметками).
Итог
Основное преимущество ректификационных колонн — это более точечная работа с напитком. Манипулируя примесями входящими в его состав, можно изменять вкусоароматические свойства, а также органолептику напитка. По сравнению с классическими самогонными аппаратами типа дистиллятор, ректификационная колонна позволяет по-новому взглянуть на процесс самогоноварения уделяя больше внимания отдельным мелочам.
график немного кривоват однако основной принцип обозначен верно