Teorie destilace alkoholu a princip fungování destilační kolony

Účelem tohoto článku je analyzovat teoretické a některé praktické aspekty fungování domácí destilační kolony zaměřené na výrobu ethanolu, rozptýlit nejběžnější mýty na internetu a objasnit body, o nichž prodejci zařízení „mlčí“.

Rektifikace alkoholu - rozdělení vícesložkové směsi obsahující alkohol na čisté frakce (ethylové a methylalkoholy, voda, fuslové oleje, aldehydy a další), které mají různé body varu opakovaným odpařováním kapaliny a kondenzací páry na kontaktních zařízeních (desky nebo trysky) ve speciálních protiproudých věžích.

Z fyzikálního hlediska je možná rektifikace, protože na začátku je koncentrace jednotlivých složek směsi v parní a kapalné fázi různá, ale systém má sklon k rovnováze - stejný tlak, teplota a koncentrace všech látek v každé fázi. Při kontaktu s kapalinou je pára obohacena těkavými složkami (s nízkou teplotou varu), kapalina je zase obohacena těkavými složkami (s vysokou teplotou varu). Spolu s obohacením dochází k výměně tepla.

Okamžik kontaktu (interakce toků) páry a kapaliny se nazývá proces přenosu tepla a hmoty.

V důsledku různých směrů pohybu (pára stoupá a kapalina stéká dolů) je po dosažení rovnovážného systému v horní části destilační kolony možné samostatně vybrat prakticky čisté složky, které byly součástí směsi. Nejprve vyjdou látky s nižším bodem varu (aldehydy, estery a alkoholy), poté s vysokým (fuselové oleje).

Rovnovážný stav. Objevuje se na samém okraji oddělení fází. Dosaženo, pouze pokud jsou současně splněny dvě podmínky:

1. Stejný tlak každé jednotlivé složky směsi.
2. Teplota a koncentrace látek v obou fázích (pára i kapalina) jsou stejné.

Čím častěji se systém dostane do rovnováhy, tím účinnější je přenos tepla a hmoty a rozdělení směsi na jednotlivé složky.

Rozdíl mezi destilací a destilací

Jak je vidět na grafu, z 10% alkoholového roztoku (rmutu) můžete získat měsíční svit 40% a při druhé destilaci této směsi vyjde 60 stupňový destilát, s třetím - 70%. Jsou možné následující intervaly: 10-40- 40-60- 60-70- 70-75 atd., Maximálně však 96%.

Teoreticky je pro získání čistého alkoholu vyžadováno 9 až 10 po sobě jdoucích destilací na měsíčním svitu. V praxi je destilace kapalin obsahujících alkohol s koncentrací nad 20-30% výbušná, navíc je vzhledem k velkým výdajům energie a času ekonomicky nerentabilní..

Z tohoto hlediska je destilace alkoholu minimálně 9–10 současných, postupných destilací, které se vyskytují na různých kontaktních prvcích kolony (trysky nebo desky) po celé výšce.

Rozdíl	Destilace	Náprava
Organoleptický nápoj	Zachovává aroma a chuť surovin.	Ukázalo se, že je to čistý a bez chuti alkohol (problém má řešení).
Ukončete pevnost	Závisí na množství destilace a konstrukci přístroje (obvykle 40-65%).	Až 96%.
Stupeň dělení na zlomky	Nízké látky se mísí i s různými body varu, nelze jej opravit.	Lze izolovat vysoké čisté látky (pouze s různými body varu).
Schopnost odstranit škodlivé látky	Nízká nebo střední. Ke zlepšení kvality je třeba alespoň dvě destilace se separací na zlomky alespoň jedné z nich.	Vysoká, při správném přístupu, jsou všechny škodlivé látky odříznuty.
Ztráta alkoholu	Vysoká. I při správném přístupu lze extrahovat až 80% celkového množství při zachování přijatelné kvality..	Nízké. Teoreticky je realistické extrahovat veškerý ethylalkohol bez ztráty kvality. V praxi je minimální ztráta 1-3%.
Složitost technologie pro domácí použití	Nízká a střední. Pro cívku se hodí i ten nejprimitivnější přístroj. Je možné vylepšení vybavení. Destilační technologie je jednoduchá a přímá. Moonshine stále v pracovním stavu nezabírá mnoho místa.	Vysoká. Vyžaduje se speciální vybavení, které nelze vyrobit bez znalostí a zkušeností. Tento proces je obtížnější pochopit, je nutná alespoň teoretická příprava. Sloupec zabírá více místa (zejména na výšku).
Nebezpečí (ve srovnání s ostatními), oba procesy jsou oheň a výbušný.	Kvůli jednoduchosti měsíčního svitu je destilace o něco bezpečnější (subjektivní názor autora článku).	Vzhledem ke složitému vybavení je při práci, se kterou existuje riziko většího počtu chyb, náprava nebezpečnější.

Provoz destilační kolony

Destilační kolona - zařízení určené k rozdělení vícesložkové kapalné směsi na oddělené frakce podle bodu varu. Jedná se o válec konstantního nebo variabilního průřezu, uvnitř kterého jsou kontaktní prvky - desky nebo trysky.

Téměř v každém sloupci jsou také pomocné jednotky pro dodávání výchozí směsi (surový alkohol), řízení procesu rektifikace (teploměry, automatizace) a výběr destilátů - modul, ve kterém se kondenzuje a poté odebírá para určité látky extrahované ze systému..

Syrový alkohol - produkt destilace rmutu metodou klasické destilace, který může být „nalit“ do destilační kolony. Ve skutečnosti jde o měsíční svit o síle 35–45 stupňů.

Hlen - pára kondenzovaná v zpětném kondenzátoru, který stéká po stěnách kolony.

Poměr zpětného toku - poměr počtu refluxů k hmotnosti odebraného destilátu. V destilační koloně jsou tři proudy: pára, reflux a destilát (konečný cíl). Na začátku procesu se destilát nebere tak, aby se ve sloupci objevilo dostatečné množství refluxu pro přenos tepla a hmoty. Poté se část alkoholové páry kondenzuje a odebírá se z kolony a zbývající alkoholové páry nadále vytvářejí refluxní proud, zajišťující normální provoz.

Pro provoz většiny zařízení musí být refluxní poměr alespoň 3, to znamená, že je odebráno 25% destilátu, zbytek je potřebný ve sloupci pro zavlažování kontaktních prvků. Obecná zásada: čím pomalejší je alkohol, tím vyšší je kvalita.

Kontaktní zařízení destilační kolony (desky a trysky)

Jsou odpovědné za vícenásobné a současné rozdělení směsi na kapalinu a páru, následuje kondenzace páry v kapalině - dosažení rovnováhy ve sloupci. Když jsou všechny ostatní věci stejné, čím více kontaktních zařízení je navrženo, tím účinnější je rektifikace z hlediska čištění alkoholu, protože se zvyšuje povrch interakce fází, což zintenzivňuje přenos tepla a hmoty.

Teoretická deska - jeden cyklus výstupu z rovnovážného stavu s jeho opakovaným dosažením. K získání vysoce kvalitního alkoholu je třeba minimálně 25-30 teoretických destiček.

Fyzická deska - opravdu funkční zařízení. Pára prochází vrstvou kapaliny v desce ve formě mnoha bublin, které vytvářejí rozsáhlou kontaktní plochu. V klasickém provedení poskytuje fyzická deska asi polovinu podmínek pro dosažení jednoho rovnovážného stavu. Proto pro normální provoz destilační kolony je zapotřebí dvakrát tolik fyzických destiček, než teoretické (vypočtené) minimum - 50–60 kusů.

Trysky. Desky se často umísťují pouze na průmyslové závody. V laboratorních a domácích destilačních kolonách se trysky používají jako kontaktní prvky - zejména kroucené měděné (nebo ocelové) dráty nebo myčky nádobí. V tomto případě hlen proudí v tenkém proudu přes celý povrch trysky, čímž poskytuje maximální kontaktní plochu s párou.

Existuje mnoho vzorů. Nevýhodou domácích drátěných trysek je možné poškození materiálu (černění, rez), tovární analogy takové problémy postrádají.

Vlastnosti destilační kolony

Materiál a rozměry. Válec kolony, trysky, krychle a destilátory jsou nutně vyrobeny z potravinářské nerezové slitiny, která je bezpečná při zahřívání (rovnoměrně se rozšiřuje). V domácích strukturách se plechovky a tlakové hrnce nejčastěji používají jako kostka.

Minimální délka domácí destilační kolony - 120-150 cm, průměr - 30-40 mm.

Vytápění. V procesu nápravy je velmi důležité řídit a rychle upravovat topný výkon. Nejúspěšnějším řešením je proto vytápění pomocí topných těles namontovaných ve spodní části krychle. Přívod tepla pomocí plynového sporáku se nedoporučuje, protože neumožňuje rychle změnit teplotní rozsah (vysoká setrvačnost systému).

Řízení procesu. Při usměrňování je důležité postupovat podle pokynů výrobce kolony, které musí uvádět provozní vlastnosti, topný výkon, poměr zpětného toku a výkon modelu.

Je velmi obtížné řídit rektifikační proces bez dvou jednoduchých zařízení - teploměr (pomáhá určit správný stupeň zahřívání) a měřič alkoholu (měří sílu výsledného alkoholu).

Výkon. Nezávisí to na velikosti sloupce, protože čím vyšší je car (trubka), tím více fyzických desek je uvnitř, tím lepší čištění. Výkon je ovlivněn topnou energií, která určuje rychlost proudění páry a zpětného toku. Ale s přebytkem dodávané energie, sloupové tlumivky (přestanou fungovat).

Průměrný výkon domácích destilačních kolon je 1 litr za hodinu s topným výkonem 1 kW.

Tlakový efekt. Bod varu kapalin závisí na tlaku. Pro úspěšnou destilaci alkoholu by měl být tlak v horní části kolony atmosférický - 720 - 780 mm Hg. Jinak, když se tlak sníží, hustota par se sníží a rychlost odpařování se zvýší, což může způsobit zaplavení kolony. Pokud je tlak příliš vysoký, rychlost odpařování klesá, což způsobuje, že zařízení je neúčinné (nedochází k rozdělení směsi na frakce). Pro udržení správného tlaku je každá destilační destilační kolona vybavena atmosférickou komunikační trubkou..

O možnosti domácí montáže. Destilační kolona teoreticky není příliš složité zařízení. Návrhy jsou úspěšně implementovány řemeslníky doma.

Ale v praxi, bez pochopení fyzických základů procesu rektifikace, správného výpočtu parametrů zařízení, výběru materiálů a kvalitní montáže uzlů, použití domácí destilační kolony se stává nebezpečným povoláním. I jedna chyba může způsobit požár, výbuch nebo popálení..

Z hlediska bezpečnosti jsou testované kolony (které mají podpůrnou dokumentaci) spolehlivější a kolony jsou dodávány s pokyny (měly by být podrobně popsány). Riziko kritické situace spočívá pouze ve dvou faktorech - správné montáži a provozu podle pokynů, ale to je problém téměř pro všechny domácí spotřebiče, nejen pro sloupy nebo měsíční svit..

Princip destilační kolony

Kostka je naplněna maximálně 2/3 objemu. Před zapnutím jednotky je bezpodmínečně nutné zkontrolovat těsnost spojů a sestav, odsávací jednotku destilátu uzavřít a přivádět chladicí vodu. Teprve poté se může kostka zahřát.

Optimální síla směsi obsahující alkohol dodávané do kolony je 35 až 45%. To je v každém případě destilace rmutu před rektifikací. Výsledný produkt (surový alkohol) se potom zpracuje na koloně, čímž se získá téměř čistý alkohol.

To znamená, že domácí destilační kolona není úplnou náhradou za klasický měsíční svit (destilátor) a lze ji považovat pouze za další krok čištění, který lépe nahrazuje opakovanou destilaci (druhá destilace), ale vylučuje organoleptické vlastnosti nápoje.

Upřímně, poznamenávám, že většina moderních modelů destilačních kolon zahrnuje práci v režimu měsíčního svitu. Chcete-li přejít na destilaci, stačí vypnout připojení k atmosféře a otevřít jednotku pro výběr destilátu.

Pokud jsou obě armatury uzavřeny současně, může kvůli přetlaku explodovat zahřátý sloup! Nedělejte takové chyby.!

V nepřetržitých průmyslových závodech se rmut často destiluje okamžitě, ale je to možné díky jeho obrovské velikosti a konstrukčním prvkům. Například potrubí je považováno za standardní, 80 metrů vysoké a 6 metrů v průměru, ve kterém je mnoho kontaktních prvků instalováno mnohokrát více než na destilačních kolonách pro dům.

Po zapnutí se kapalina v krychli ohřívačem uvede do varu. Výsledná pára stoupá z kolony, poté vstupuje do zpětného kondenzátoru, kde kondenzuje (objevuje se hlen) a vrací se na dno kolony v kapalné formě podél stěn potrubí, v kontaktu s rostoucí parou na deskách nebo tryskách na zpáteční cestě. Pod vlivem ohřívače se hlen opět stává párou a pára nahoře je opět kondenzována zpětným chladičem. Proces se stává cyklickým, obě vlákna jsou nepřetržitě ve vzájemném kontaktu.

Po stabilizaci (pára a flegm je dostačující pro dosažení rovnovážného stavu) se v horní části kolony hromadí čisté (oddělené) frakce s nejnižší teplotou varu (methylalkohol, octový aldehyd, ethery, ethylalkohol) a nejvyšší (fuselové oleje) níže. Jak vyberete, spodní frakce postupně stoupají nahoru do sloupce.

Ve většině případů se sloupec považuje za stabilní (výběr může začít), ve kterém se teplota nemění po dobu 10 minut (celková doba zahřívání je 20–60 minut). Až do tohoto okamžiku pracuje zařízení „samostatně“ a vytváří toky páry a hlenu, které mají sklon k rovnováze. Po stabilizaci začíná výběr frakce obsahující škodlivé látky: estery, aldehydy a methylalkohol.

Destilační kolona nevylučuje potřebu oddělit výstup na frakce. Stejně jako v případě konvenčního měsíčního svitu musíte sbírat „hlavu“, „tělo“ a „ocas“. Jediným rozdílem je čistota výstupu. Během destilace nejsou frakce „mazány“ - látky s podobným, ale alespoň desetinovým stupněm, různé body varu se neprotínají, takže při výběru „těla“ se získá téměř čistý alkohol. Během normální destilace je nemožné fyzicky rozdělit výstup na frakce sestávající pouze z jedné látky, bez ohledu na to, jaký design se používá.

Pokud je kolona uvedena do optimálního provozního režimu, pak není obtížné vybrat „tělo“, protože teplota je vždy stabilní.

Dolní frakce („zbytky“) během destilace jsou vybírány na základě teploty nebo vůně, ale na rozdíl od destilace tyto látky neobsahují alkohol.

Návrat alkoholu k organoleptickým vlastnostem. Často jsou „ocasy“ potřebné k navrácení usměrněného ducha do „duše“ - aroma a chuti suroviny, například jablek nebo hroznů. Po dokončení postupu se do čistého alkoholu přidá určité množství sebraných frakcí. Koncentrace se vypočítá empiricky experimentováním s malým množstvím produktu.

Výhodou rektifikace je schopnost extrahovat téměř veškerý alkohol obsažený v kapalině bez ztráty kvality. To znamená, že „hlavy“ a „zbytky“ získané na měsíčním svitu lze stále zpracovávat na destilační koloně a lze získat etanol bezpečný pro zdraví..

Zaplavení kolony rektifikace

Každá konstrukce má maximální rychlost páry, po které se tok hlenu v krychli nejprve zpomalí a poté zcela zastaví. Kapalina se hromadí v destilační části kolony a dochází k „zaplavení“ - ukončení procesu přenosu tepla a hmoty. Uvnitř dochází k prudkému poklesu tlaku, objevuje se nadměrný hluk nebo burácení.

Důvody zaplavení destilační kolony:

• překročení přípustného topného výkonu (nejběžnější);
• ucpávání dna zařízení a přetečení krychle;
• velmi nízký atmosférický tlak (typický pro vysočinu);
• napětí v síti je vyšší než 220V - v důsledku toho se zvyšuje výkon topných prvků;
• konstrukční chyby a poruchy.