Самогонные аппараты колонного типа во многом отличаются от обычных дистилляторов. Одним из отличий выступает возможность использования наполнителей для колонны. В качестве таковых выступают как правило проволочная насадка или спирали. Многие самогонщики используют их «на глазок» хотя имеется вполне конкретные обоснования. Сегодня мы окунемся в теорию ректификации и постараемся найти обоснование сколько нужно использовать наполнителей для ректификационной колонны.
Наполнитель для колонны в кругах самогонщиков именуется насадкой. Соответственно наиболее популярные разновидности наполнителей именуются как РПН (регулярная проволочная насадка) и СПН (спирально-призматическая насадка). Важно подчеркнуть, что помимо насадок для достижения тех же целей могут использоваться и тарельчатые элементы. Здесь мы подходим к определению физической тарелки.
Физическая тарелка это контактный элемент, расположенный внутри колонны целью которого выступает создание условий, при которых жидкая и паровая фаза входят в максимальное взаимодействие с целью достижения равновесия.
Равновесие фаз — это состояние, при котором объем примеси в жидкости идентично объему этой же примеси в пару. Для достижения такого состояния должны быть выравнены температуры и давления в каждой фазе.
Теоретическая тарелка
Если взглянуть на кривую равновесия фаз бинарной водно-спиртовой жидкости можно заметить что объем вещества в паре отличается от жидкости. Вначале жидкость (в нашем случае бражка) преобразуется в пар. Например, из 10% браги получается спиртовой пар 40%. Далее происходит обратный процесс — конденсации в жидкость. На графике этого не видно, однако если провести горизонтальную линию между точкой x10y40 и прямой x=y, то мы получаем точку равновесия. Это наша флегма на выходе, которую мы получаем после охлаждения паров.
Если представить себе сразу несколько перегонок, то мы увидим, что на графике образуются сразу несколько таких «ступенек»: 10-40; 60-70; 70-75 и так далее. Финальной точкой выступает показатель 96%. Данная концентрация спиртов предшествует точке азеотропа и именно к этому показателю мы стремимся в ходе ректификации.
Теперь вновь взглянем на наши ступеньки. Каждая из них это новая теоретическая перегонка. По факту их количество может быть довольно большим. Собственно каждая такая перегонка повышает градус в жидкости и тем самым способствует укреплению. Собственно эти перегонки следует рассматривать как стадии процесса ректификации и именно в таком контексте мы должны рассматривать их (перегонки) как теоретические тарелки. Иными словами, количество теоретических тарелок — это количество стадий перегонки, пройдя через которые мы получим спирт 96%.
Теоретическую тарелку иногда называют единицей массопереноса или единицей переноса.
Важно учесть, что на практике мы имеем дело не с бинарной смесью вода-спирт, а с целым букетом, в котором может содержаться более 70 примесей. Соответственно для качественного разделения колонна должна иметь не менее 25-30 теоретических тарелок.
Работа тарелок в колонне
Каждая из тарелок, размещенных внутри колонны, может удерживать слой жидкости. Проходя через нее пар входит в тесное взаимодействие с флегмой после чего оседает на других поверхностях расположенных выше откуда стекает обратно на тарелку. Важно учитывать, что при таком повторном переиспарении равновесие между фазами не достигается. Дело в том, что КПД одной тарелки составляет не более 60%. В результате этого для того, чтобы привести фазы в равновесие на участке колонны нужно по крайней мере 2 физические тарелки.
Учитывая, что для абсолютного разделения бинарной смеси нужно по крайней мере не менее 30 теоретических тарелок то для многокомпонентного раствора (брага) таких нужно уже 40. В результате этого для абсолютного разделения бражки нужна установка, обладающая 40*2= 80 физическими тарелками.
Выбор насадок для колонны
Чуть выше мы рассмотрели тарельчатые элементы в колонне. Насадки выполняют все ту же функцию. Как следствие для оценки их эффективности можно использовать теоретические тарелки.
Процессы теплообмена в насадках протекает непрерывно. Что же касается точки равновесия то она достигается тогда, когда паровая смесь проходит сквозь насадку на определенное расстояние (высоту слоя насадки). Обычно этот показатель именуют «высота единицы переноса» (ВЕП). Как правило эта высота измеряется в миллиметрах. Соответственно ВЕП отдельного элемента можно определить его эффективность при ректификации. Важно помнить, что ВЕП насадок зависит не только от высоты занимаемой насадкой зоны, но и от диаметра колонны.
