Особенности ректификационных колонн (часть 2)

В прошлый раз мы рассмотрели основные особенности ректификационных колонн и узнали о том, что отличает их от самогонных аппаратов других типов. Здесь же мы будем разбирать химию процесса ректификации. Устраивайтесь поудобнее, мы начинаем

План

1. Суть ректификации
2. Положение фракций в колонне
3. Точка азеотропа

Суть ректификации

Если взглянуть на бражку с точки зрения входящих в нее элементов мы можем увидеть довольно широкий спектр веществ. Основными элементами безусловно считается вода и спирт, однако, помимо них есть немало иных соединений. Каждое из них имеет свою собственную температуру кипения. Все эти вещества можно объединить в 2 большие группы: головные фракции и хвостовые фракции. Если говорить про их объем в составе абсолютного этилового спирта, то голов будет около 2,5%, в то время как объем хвостов будет около 3,5% от абсолютного спирта.

Абсолютный спирт — это безводное соединение, в котором отсутствуют какие-либо посторонние примеси. Это 100% очищенный спирт. Важно понимать, что получить такое соединение в домашних условиях невозможно. В этом нет надобности. В то же время абсолютный спирт как единица может использоваться для расчетов в самогоноварении.

Смысл ректификации заключается в том, чтобы выделить одну фракцию (в нашем случае этиловый спирт спиртуозностью 96%) и при этом свести в ноль все остальные. Для того чтобы понимать этот материал проще крайне желательно абстрагироваться от браги и входящих в нее компонент и рассматривать их в дальнейшем как примеси, которые нам в ходе перегонки необходимо нейтрализовать, выделив одну единственную часть напитка.

Вначале заготовленный раствор заполняет перегонный куб. Как и в случае с дистиллятами он заполняет не более ¾ от объема бака. Сверху устанавливается колонна. Колонна может быть утеплена чехлом. Последний может способствовать тому, что тепло будет оставаться внутри, позволяя дефлегматору работать на максимальной эффективности. Если же напротив этого не сделать, пар, проходящий по трубе, будет успевать немного остыть что создаст тепловые потери в царге.

В колонну следует установить наполнитель. Он может быть абсолютно разным. Это могут быть РПН Панченкова, СПН Селиваненко или же их комбинация. В любом случае объем наполнителя подбирается индивидуально в зависимости от габаритов колонны.

Еще выше устанавливается узел отбора. Если это жидкостный узел, мы можем попытаться его заполнить жидкостью залив последнюю сверху. Будучи залитой в колонну, она стечет в желоб, находящийся внутри жидкостного узла, и заполнит его. Таким образом та флегма, которая должна была естественным образом была несколько выйти за пределы колонны останется внутри нее. Ее место будет занимать вода.

Несколько выше узла отбора крайне желательно установить диоптр. Он нужен для того, чтобы отслеживать ход процесса.

Еще выше располагается холодильник/дефлегматор. Если таковых несколько их можно последовательно соединить друг с другом. Это увеличит мощность системы охлаждения.

Говоря про систему, охлаждения нельзя не затронуть аспект подключения воды. Здесь все происходит следующим образом. Вода подается от нижних охлаждающих контуров к верхним. Таким образом первым холодильником скорее всего будет доохладитель на узле отбора. Из него шланг выводится на вход в основной холодильник и так далее. Самый верхний штуцер выводит горячую воду непосредственно в раковину.

Положение фракций в колонне

В основе работы ректификационной колонны лежит явление тепломассообмена. При этом явлении пары, выделяемые внутри куба, устремляются в верхнюю часть колонны, где достигают охладителя (конденсера) и в виде флегмы спускаются обратно. В ходе такой циркуляции они проходят через слой насадок (наполнителей) которыми мы заранее наполнили колонну тем самым увеличив число контактных поверхностей.

Благодаря многократному испарению внутри колонны мы придаем процессу значительно более высокую динамику. Здесь проще всего рассматривать процесс испарения. Если вспомнить тезис, обозначенный выше наша жидкость в кубе — это набор примесей и у каждой из них своя температура кипения. Наиболее легкокипящие компоненты будут испаряться значительно быстрее чем тяжелокипящие. Для большей наглядности распишем температуру кипения компонент:

Можно заметить, что у компонент, находящихся в верхней части этого списка, температура кипения ниже, чем у тех которые находятся в нижней части. Это значит, что для того, чтобы превратиться в пар компоненту находящемуся сверху не требуется высокая температура, в то время как для нижестоящих фракций она необходима.

Проще говоря все примеси выстраиваются в своего рода ряд согласно температуре кипения. Сверху легкокипящие (головные фракции) а снизу тяжелокипящие (хвосты).

Точка азеотропа

Продолжая говорить про положение фракций внутри колонны, следует отметить, что они находятся в своего рода равновесии спиртовых соединений между жидкостью и паром. Условно говоря спирты изначально находятся в жидкой фазе, но при достижении равновесия они переходят в пар. Это равновесие можно увидеть на графике, приведенном ниже:

Здесь стоит зафиксировать внимание на кривой. Эта кривая показывает соотношение спирта в пару и в жидкости. Каждое пересечение (ступенька) это один цикл переиспарения. В ходе работы колонны этот процесс происходит многократно и как следствие достигает точки, когда дальнейшее переиспарение становится невозможным. Эта точка именуется азеотропой. Если до нее концентрация вещества в жидкости и в пару отличалась, то при ее достижении объем вещества в пару становится равным объему вещества в жидкости.  Проще говоря если такую жидкость переиспарить еще раз (добавить ступеньку на график), то мы получим пар той же спиртуозности. В случае водно-спиртового раствора точка азеотропа находится на отметке 96,4%. По сути это и есть тот самый искомый спирт-ректификат! Важно подчеркнуть, что это мы рассмотрели всего один компонент. По факту в колонне находятся и другие фракции. Азеотропная смесь очень наглядно раскрывает суть процесса тепломассообмена. В данном случае этот процесс рассматривается с позиции одной компоненты — этилового спирта.

Связывая очередность фракций в колонне с процессом тепломассообмена, можно прийти к выводу о том, что в ходе работы колонны фракции приходят в равновесие. С одной стороны, они выстраиваются в очередь согласно температурам кипения. С другой же стороны в ходе многократного пароиспарения они доходят до той самой точки азеотропы которая является условием этого самого равновесия.

Вывод

Мы рассмотрели несколько особенностей работы ректификационной колонны. В частности, мы рассказали про очередность фракций, а также об их равновесии. В следующих статьях мы продолжим разбирать суть процесса ректификации. Оставайтесь на связи.