§ 13.2 Ректификационные колонны: их устройство и работа
Как было сказано выше, ректификация осуществляется в специальных аппаратах - ректификационных колоннах, которые являются основными элементами ректификационных установок.
Процесс ректификации может осуществляться периодически и непрерывно, независимо от типа и конструкции ректификационных колонн. Рассмотрим процесс непрерывной ректификации, с помощью которого происходит разделение жидких смесей в промышленности.
Ректификационная колонна - вертикальный цилиндрический аппарат со сварным (или сборным) корпусом, в котором расположены массо- и теплообменные устройства (горизонтальные тарелки 2 или насадка). В нижней части колонны (рис. 13.3) имеется куб 3, в котором происходит кипение кубовой жидкости. Нагревание в кубе осуществляется за счет глухого пара, находящегося в змеевике или в кожухотрубчатом подогревателе-кипятильнике. Неотъемлемой частью ректификационной колонны является дефлегматор 7, предназначенный для конденсации пара, выходящего из колонны.
Ректификационная тарельчатая колонна работает следующим образом. Куб постоянно подогревается, и кубовая жидкость кипит. Образующийся в кубе пар поднимается вверх по колонне. Предварительно нагревается до кипения исходная смесь, подлежащая разделению. Она подается на питательную тарелку 5, которая делит колонну на две части: нижнюю (исчерпывающую) 4 и верхнюю (укрепляющую) 6. Исходная смесь с питательной тарелки стекает на нижележащие тарелки, взаимодействуя на своем пути с, движущимся снизу вверх паром. В результате этого взаимодействия пар обогащается легколетучим компонентом, а стекающая вниз жидкость, обедняясь этим компонентом, обогащается труднолетучим. В нижней части колонны идет процесс извлечения (исчерпывания) легколетучего компонента из исходной смеси и переход его в пар. Некоторая часть готового продукта (ректификата) подается на орошение верхней части колонны.
Жидкость, поступающую на орошение верха колонны и перетекающую по колонне сверху вниз, называют флегмой. Пар, взаимодействуя с флегмой на всех тарелках верхней части колонны, обогащается (укрепляется) легколетучим компонентом. Пар, выходящий из колонны, направляется в дефлегматор 7, в котором осуществляется его конденсация. Образующийся дистиллят делится на два потока: один в виде продукта направляется на дальнейшее охлаждение и на склад готовой продукции, другой направляется обратно в колонну в качестве флегмы.
Важнейшим элементов тарельчатой ректификационной колонны является тарелка, поскольку именно на ней происходит взаимодействие пара с жидкостью. На рис. 13.4 изображена схема устройства и работы колпачковой тарелки. Она имеет дно 1, герметически соединенное с корпусом колонны 4, паровые патрубки 2 и сливные патрубки 5. Паровые патрубки предназначены для пропускания поднимающихся с нижней тарелки паров. По сливным патрубкам жидкость стекает с вышележащей тарелки на нижележащую. На каждый паровой патрубок монтируется колпачок 3, с помощью которого пары направляются в жидкость, барботируют через нее, охлаждаются и частично конденсируются. Дно каждой тарелки обогревается парами нижележащей тарелки. Кроме того, при частичной конденсации пара выделяется тепло. За счет этого тепла жидкость на каждой тарелке кипит, образуя свои пары, которые смешиваются с парами, поступившими с нижележащей тарелки. Уровень жидкости на тарелке поддерживается с помощью сливных патрубков.
Рис. 13.3. Схема ректификационной колонны: / - корпус; 2 - тарелки; 3 - куб; 4, 6 - исчерпывающая и укрепляющая части колонны; 5 -питательная тарелка; 7 - дефлегматор
Процессы, протекающие на тарелке, можно описать следующим образом (см. рис. 13.4). Пусть на тарелку поступают пары состава Л с нижней тарелки, а с верхней тарелки по переливной трубке стекает жидкость состава В. В результате взаимодействия пара А с жидкостью В (пар, барботируя через жидкость, частично ее испарит, а сам частично сконденсируется) образуется новый пар состава С и новая жидкость состава D , находящиеся в равновесии. В результате работы тарелки новый пар С богаче легколетучим веществом по сравнению с поступившим с нижней тарелки паром А, то есть на тарелке пар С обогатился легколетучим веществом. Новая жидкость D , наоборот, стала беднее легколетучим веществом по сравнению с поступившей с верхней тарелки жидкостью В, то есть на тарелке жидкость обедняется легколетучим и обогащается труднолетучим компонентом. Короче, работа тарелки сводится к обогащению пара и обеднению жидкости легколетучим компонентом.
Рис. 13.4. Схема устройства и работы колпачковой тарелки: /- дно тарелки; 2 -паровой патрубок;
3 - колпачок; 4 - корпус колонны; 5 - сливной патрубок
Рис. 13.5. Изображение работы ректификационной тарелки на диаграмме у -х: 1 - равновесная кривая;
2 - линия рабочих концентраций
Тарелка, на которой достигается состояние равновесия между поднимающимися с нее парами и стекающей жидкостью, называется теоретической. В реальных условиях из-за кратковременного взаимодействия пара с жидкостью на тарелках не достигается состояние равновесия. Разделение смеси на реальной тарелке идет менее интенсивно, чем на теоретической. Поэтому для выполнения: работы одной теоретической тарелки требуется больше чем одна реальная тарелка.
На рис. 13.5 изображена работа ректификационной тарелки с использованием диаграммы у -х. Теоретической тарелке соответствует заштрихованный прямоугольный треугольник, катетами которого являются величина приращения концентрации легколетучего компонента в паре, равная ус -y а , и величина уменьшения концентрации легколетучего компонента в жидкости, равная x B - x D . Отрезки, соответствующие указанным изменениям концентраций, сходятся на равновесной кривой. Тем самым предполагается, что фазы, покидающие тарелку, находятся в состоянии равновесия. Однако в действительности состояние равновесия не достигается, и отрезки изменения концентраций не достигают равновесной кривой. То есть рабочей (действительной) тарелке будет соответствовать меньший треугольник, чем тот, который изображен
на рис. 13.5.
Конструкции тарелок ректификационных колонн весьма разнообразны. Рассмотрим кратко основные из них.
Колонны с колпачковыми тарелками широко применяются в промышленности. Использование колпачков обеспечивает хороший контакт между паром и жидкостью, эффективное перемешивание на тарелке и интенсивный массообмен между фазами. По форме колпачки могут быть круглыми, многогранными и прямоугольными, тарелки - одно- и многоколпачковыми.
Тарелка с желобчатыми колпачками показана рис. 13.6. Пар с нижней тарелки проходит в зазоры и попадает в верхние (опрокинутые) желоба, которые направляют его в нижние желоба, заполненные жидкостью. Здесь пар барботирует через жидкость, что обеспечивает интенсивный массообмен. Уровень жидкости на тарелке поддерживается переливным устройством.
Колонны с ситчатыми тарелками показаны на рис. 13.7. Тарелки имеют большое количество отверстий малого диаметра (от 0,8 до 3 мм). Давление пара и скорость его прохода через отверстия должны находиться в соответствии с давлением жидкости на тарелке: пар должен преодолевать давление жидкости и препятствовать ее утечке через отверстия на нижележащую тарелку. Поэтому ситчатые тарелки требуют соответствующего регулирования и весьма чувствительны к изменению режима. В случае уменьшения давления пара жидкость с ситчатых тарелок уходит вниз. Ситчатые-тарелки чувствительны к загрязнениям (осадкам), которые могут забивать отверстия, создавая условия образования повышенных давлений. Все это ограничивает их применение.
Насадочные колонны (рис. 13.8) отличаются тем, что в них роль тарелок выполняет так называемая «насадка». В качестве насадки используют специальные керамические кольца (кольца Рашига), шарики, короткие трубки, кубики, тела седловидной, спиралевидной и т. п. формы, изготовленные из разнообразных материалов (фарфора, стекла, металла, пластмассы и др.).
Пар поступает в нижнюю часть колонны из выносного кипятильника и движется вверх по колонне навстречу стекающей жидкости. Распределяясь по большой поверхности, образуемой насадочными телами, пар интенсивно контактирует с жидкостью, обмениваясь компонентами. Насадка должна иметь большую поверхность в единице объема, оказывать малое гидравлическое сопротивление, быть стойкой к химическому воздействию жидкости и пара, обладать высокой механической прочностью, иметь невысокую стоимость.
Насадочные колонны имеют небольшое гидравлическое сопротивление, удобны в эксплуатации: легко опорожняются, промываются, продуваются, очищаются.
Рис. 13.6. Тарелка с желобчатыми колпачками: а - общий вид; б - продольный разрез; в - схема работы тарелки
Рис. 13.7. Схема устройства ситчатой тарелки: / - корпус колонны; 2 - тарелка; 3 - сливная труба; 4 - гидравлический затвор; 5 - отверстия
Рис. 13.8. Схема насадочной ректификационной колонны: 1 - корпус; 2 - ввод начальной смеси; 3 - пар; 4 - орошение; 5 - решетка; 6 - насадка; 7-отвод высококипящего продукта j-. 8 - выносной кипятильник
В этой статье вашему вниманию предлагается вариант ректификационной колонны собранной из доступных материалов, с дефлегматором изготовленным из обычного бытового термоса. Термос объемом 0.5 или 0.75 литра, представляет собой, практически готовый дефлегматор, что значительно упрощает конструкцию и уменьшает объем работ. Производительность колонны, по спирту ректификату, составляет 1-1.5 л/час, в зависимости от диаметра трубы. Для изготовления некоторых элементов колонны потребуются токарные работы. В качестве испарительной емкости (перегонный куб, в дальнейшем просто куб), для спирта-сырца (самогона), можно использовать любую подходящую по размеру, начиная с двух литров, верхний предел не ограничен. Способ нагрева куба может быть любым, но в целях безопасности, нужно стараться по возможности, не использовать для нагрева открытый огонь.
Для изготовления колонны потребуется:
Из инструментов и приспособлений потребуется:
В процессе эксплуатации колонны, для контроля за температурным режимом и отслеживания очередности выхода фракций, потребуются:
термометр до 100 гр
Термометр можно использовать ртутный с ценой деления 0.5 гр, в крайнем случае 1 гр. А лучше с точностью 0.1 гр. Можно использовать недорогой мультиметр с функцией термометра .
Так же нужен будет , для измерения перепада давления в кубе, хотя можно обойтись и без него.
Для подвода и отвода охлаждающей жидкости потребуется гибкая или шланг диаметром 5-6 мм.
Для отбора полученного дистиллята потребуется диаметром 5-6 мм.
И так, если есть желание, самостоятельно изготовить колонну для получения чистого 96% спирта, то вперед, в магазин, за покупкой вышеперечисленных материалов и недостающих инструментов.
Для этого первым делом отнесем трубу к токарю, что бы он отрезал ненужные нам сантиметры от трубы, аккуратненько снял фасочки и таким образом отторцевал края трубы. Если нет токаря, не беда, отрезаем ровненько ножовочкой по металлу, сколько нужно, стараясь выдерживать плоскость реза под углом 90 гр., к телу трубы. Для этого можно трубу в месте разреза, ровненько обмотать изолентой и резать по ее краю. Затем плоским напильником выравниваем края среза и снимаем заусенцы. Круглым напильником обрабатываем внутреннюю часть среза. Потом полируем наждачной бумагой, для того чтобы подготовить поверхность для дальнейшей пайки. Далее нам нужно будет изготовить переходник для соединения трубы с крышкой куба, а так же узел отбора дистиллята. Если есть токарь, то заказываем эти детали ему. Переходники должны одним концом плотно вставляться с внутренней части или надеваться с наружной части трубы. Это будет зависеть от диаметра самой трубы и возможности выточить или достать под этот диаметр переходник. С другой стороны переходник должен иметь резьбу . Резьба может быть как метрическая, так дюймовая или трубная. Шаг резьбы предпочтительно делать не менее 1.5 и не более 2. Если токаря нет, то придется переходник купить в сантехническом магазине. Подойдут переходники на 1 или 1¼ дюйма в зависимости от диаметра трубы. Переходник лучше брать не никелированный, а латунный, для того, что бы его можно было легче, потом залудить. А вот с узлом отбора сложнее, придется импровизировать на ходу, в зависимости от имеющихся деталей и конфигурации горловины термоса. Можно подобрать в сантехническом магазине подходящие детали и посредством подгонки друг к другу и их последующей пайки, собрать узел отбора. Затем нужно изготовить опорные шайбы для насадки. Диаметр шайбы должен быть таким, что бы он обеспечивал плотную посадку шайбы в трубу. Отверстия в шайбе должны быть насверлены как можно чаще и иметь диаметр не менее 3 и не более 4 мм. Вставить с одной стороны в трубу, шайбу на нужную глубину. Далее нужно припаять к трубе переходник для соединения с крышкой куба. Для этого нужен паяльник, припой (а лучше чистое олово, оно не содержит свинца) и паяльная кислота. Сначала зачищаем наждачной бумагой или напильником места предполагаемой пайки на трубе и переходнике. Потом наносим паяльную кислоту и прогреваем паяльником с капелькой олова. Дополнительно, можно прогреть место пайки газовой горелкой. По мере прогрева, олово начнет плавится и растекаться. Таким образом, нужно залудить всю поверхность переходника подлежащую пайке, а так же и ту поверхность, что будет контактировать со спиртом (но это в том случае, если переходник не из нержавеющей стали). Переходник из нержавейки лудить не нужно. Излишние наплывы олова удалить в горячем состоянии ветошью из натурального материала (не синтетики). Затем вставить залуженный переходник в залуженную таким же образом трубу и нагреть место спаивания паяльником, а лучше газовой горелкой. Олово расплавиться и надежно зафиксирует детали между собой. Затем приступаем к изготовлению насадки для колонны . Далее засыпаем насадку в трубу, периодически слегка встряхивая трубу, для равномерной укладки насадки. Не нужно трясти слишком сильно. Таким образом, заполняем трубу до самого верха. Вставляем в трубу, еще одну опорную шайбу для насадки. Затем вставляем залуженный торец узла отбора и нагреваем место спаивания (естественно, что и второй конец трубы тоже залужен). Надеваем на трубу теплоизолятор нужного диаметра и на этом можно считать изготовление ректификационной части колонны, законченной.
Для этого нужно зачистить донышко термоса наждачкой.
Сделать из полоски жести подобие скобы.
Затем из стальной проволоки сделать подобие петли, завести ее в отверстие скобы и скрутить плоскогубцами.
Второй конец проволоки зажать в тиски или прибить к стене. Взять термос обеими руками, отвести его от себя и сильно дернуть. Крышка (донышко), должна слететь. Следует упомянуть о том, что некоторые донышки посажены слабо и слетают довольно легко, а некоторые с очень большим усилием и порой отрывается скоба в месте пайки, а донышко остается на месте. В таком случае нужно увеличить площадь контакта между донышком и скобой поверхности, вновь спаять эти детали и попытаться еще раз.
Нужно обточить по периметру сварочный шов, соединяющий между собой крышку и колбу. Сделать это лучше на наждачном станке.
Но можно и при помощи насадки к дрели. Обтачивать нужно как можно равномернее и следить за появлением небольшого, еле различимого зазора между крышкой и колбой.
Обтачивать нужно до тех пор, пока зазор не появится по всей окружности.
После этого крышка легко извлекается из колбы. Под крышкой будет видна еще одна колба.
Ее при необходимости, так же можно вынуть, обточив на наждаке сварочный шов по периметру.
После чего внутренняя колба легко извлекается из внешней.
В результате всех манипуляций по разборке термоса, мы имеем две отдельные колбы.
Но если каких либо переделок в конструкции термоса не предусматривается, то извлекать внутренюю колбу из внешней не следует. Для изготовления дефлегматора достаточно снять донышко и вакуумную крышку и получить доступ к внутренней колбе. Далее во внутренней колбе, по центру, с задней стороны, нужно просверлить отверстие под трубку для связи с атмосферой. Зачистить и потом залудить место пайки, как колбы, так и трубки. Затем вставить трубку в отверстие и надежно пропаять. Отверстие должно быть такого диаметра, что бы трубка в него вставлялась с натягом. Это облегчит пайку. При пайке стараться не допускать затекания припоя на внутреннюю сторону колбы. Затем также по центру донышка просверлить отверстие и залудить место пайки, залудить сопрягающиеся поверхности колбы и донышка. Надеть донышко на колбу и пропаять. Затем пропаять трубку и донышко. Затем залудить горловину термоса и узел отбора. Вставить узел отбора в горловину и пропаять посредством нагрева паяльником или газовой горелкой. Аккуратно, не повредив внутреннюю колбу, просверлить в наружной колбе внизу и вверху отверстия для трубок подвода и отвода охлаждающей воды. Залудить, вставить трубки и пропаять. В узле отбора дистиллята, просверлить отверстие для втулки термометра. Втулку желательно сделать из фторопласта. Во втулке просверлить отверстие по диаметру щупа термометра. Вставить втулку в узел отбора. Так же нужно в узле отбора просверлить еще одно отверстие для отбора дистиллята. Вставить трубку и пропаять. На этом изготовление дефлегматора, можно считать законченным. Далее нужно тщательно промыть все места пайки раствором пищевой соды в воде. Потом прикрутить дефлегматор к колонне и промыть все в сборе под струей воды.
Перед первым использованием колонны нужно тщательно изучить теорию ректификации . Затем нужно как можно дольше (несколько часов), погонять колонну без отбора дистиллята, для того что бы вымыть с поверхности насадки, трубы и дефлегматора, загрязняющие вещества, оставшиеся после промывки водой. После этого можно начинать производить отбор головных фракций в отдельную емкость. Эти фракции промоют холодильник и трубки отбора дистиллята от загрязнений. И уже только после этого приступать к отбору основной - пищевой фракции . Если вам будет что-то не понятно из описания, задавайте вопросы в отзывах и комментариях. Постараюсь на них ответить в ближайшее время.
Вариант дефлегматора со съемной крышкой большого диаметра выполненной из нержавеющего стаканчика
Сварка в этом варианте также отсутствует. В донышке нужно сделать большое отверстие. Отверстие должно быть такого диаметра, что бы малая колба в него с трудом пропихивалась, то есть по возможности с минимальным зазором. Я это сделал специальным сверлом, которое сам и изготовил когда то. Сейчас таие (наподобие), продают для прорезания круглых отверстий в керамической плитке. Там в центре сверло и еще два резца с победитовыми напайками по краям, выставляешь эти два резца на нужный диаметр и сверлишь на малых оборотах, поливая водой. Дело 1-2 минут. Отверстие получается ровным, без заусенцев и задиров. Но сверлить желательно на сверлильном станке, дрелью есть риск сломать резцы или выевернуть донышко. Если нет ни такого сверла ни станка, то нужно точно в центре накернить. Взять штангенциркуль с острым краем и прочертить окружность нужного диаметра, потом сверлишь максимально возможным сверло, потом берешь насадку на дрель в виде конуса и растачиваешь отверстие до прочерченой окружности, особенно под конец нужно соблюдать аккуратность, что бы отверстие получилось ровным. Ну и примеряешь естественно почаше под конец расточки. На это дело уходит как правило минут 15-20. Далее зачишаешь до блеска наждачкой края подлежащие лужению и залуживаешь их. Потом Натягиваешь донышко на колбу легкими покачиваниями и пропаиваешь место соединения. Далее, веренее это нужно сделать в самом начале. Во внутренней колбе нужно так же просверлить большое отверстие. Почему большое, да потому что туда будет вместо крышки вставляться конусный стаканчик из нержавейки, обрезанный наполовину примерно, принцип закрывания банки с кофем знаете? Там довольно таки большое отверстие но закрывается герметично, за счет натяга и пружинящих свойств крышки. То же самое и здесь, конус стаканчика очень плотно врезается в отверстие колбы, и никаких фторопластовых и прочих крышек не нужно. и еще через это большое отверстие во первых, все видно что там происходит, а во вторых, в нем просверлено отверстие для трубочки которая связывает с атмосферой, а так же для трубки в которую в дальнейшем вставляется щуп термометра.
Рано или поздно почти каждый любитель самодельного алкоголя задумывается о приобретении или изготовлении ректификационной колонны (РК) – устройства для получения чистого спирта. Начинать нужно с комплексного расчета базовых параметров: мощности, высоты, диаметра царги, объема куба и т.д. Эта информация будет полезна как желающим сделать все элементы своими руками, так и собравшимся купить готовую ректификационную колонну (поможет определиться с выбором и проверить продавца). Не затрагивая конструктивных особенностей отдельных узлов, мы рассмотрим общие принципы построения сбалансированной системы для ректификации в домашних условиях.
Схема работы колонны Характеристики трубы (царги) и насадки
Материал. Труба во многом определяет параметры ректификационной колонны и требования ко всем узлам аппарата. Материалом для изготовления царги является хромоникелевая нержавеющая сталь – «пищевая» нержавейка.
Благодаря химической нейтральности пищевая нержавеющая сталь не оказывает воздействия на состав продукта, что и требуется. На спирт перегоняют сырец из сахарной браги или отходы дистилляции («головы» и «хвосты»), поэтому главной целью ректификации является максимальная очистка выхода от примесей, а не изменение органолептических свойств спирта в ту или иную сторону. Использовать медь в классических ректификационных колоннах неуместно, поскольку этот материал слегка изменяет химический состав напитка и подходит для производства дистиллятора (обычного самогонного аппарата) или бражной колонны (частный случай ректификации).
Разобранная труба колонны с установленной насадкой в одной из царг Толщина. Царгу делают из нержавеющей трубы с толщиной стенки 1-1,5 мм. Более толстая стенка не нужна, так как это приведет к удорожанию и утяжелению конструкции без получения каких-либо преимуществ.
Параметры насадки. Говорить о характеристиках колонны без привязки к насадке не корректно. При ректификации в домашних условиях используют насадки с площадью контактной поверхности от 1,5 до 4 кв. м/литр. С увеличением площади контактной поверхности возрастает и разделяющая способность, но падает производительность. Уменьшение площади приводит к снижению разделяющей и укрепляющей способности.
Производительность колонны вначале растет, но потом для поддержания крепости выхода оператор вынужден понижать скорость отбора. Это значит, что существует некий оптимальный размер насадки, который зависит от диаметра колонны и позволят достичь наилучшего сочетания параметров.
Размеры спирально-призматической насадки (СПН) должны быть меньше внутреннего диаметра колонны примерно в 12-15 раз. Для диаметра трубы 50 мм – 3.5х3.5х0.25 мм, для 40 – 3х3х0.25 мм, а для 32 и 28 – 2х2х0.25 мм.
В зависимости от поставленных задач целесообразно использовать разные насадки. Например, при получении укрепленных дистиллятов часто применяют медные кольца диаметром и высотой 10 мм. Понятно, что в этом случае целью является не разделяющая и укрепляющая возможность системы, а совершенно другой критерий – каталитическая способность меди устранять из спирта сернистые соединения.
Варианты спирально-призматических насадок Не стоит ограничивать арсенал одной, пусть даже самой лучшей насадкой, таких просто нет. Есть наиболее подходящие для решения каждой конкретной задачи.
Даже небольшое изменение диаметра колонны серьезно влияет на параметры. Для оценки достаточно помнить, что номинальные мощность (Вт) и производительность (мл/час) численно равны площади поперечного сечения колонны (кв. мм), а значит, пропорциональны квадрату диаметра. Обращайте на это внимание при выборе царги, всегда считайте внутренний диаметр и по нему сравнивайте варианты.
Зависимость мощности от диаметра трубы
Высота трубы. Для обеспечения хорошей удерживающей и разделительной способности, не зависимо от диаметра, высота ректификационной колонны должна быть от 1 до 1,5 м. Если меньше – не хватит места для накопленных в ходе работы сивушных масел, в результате сивуха начнет прорываться в отбор. Еще один недостаток – головы будут нечетко разделяться на фракции. Если высота трубы больше – это не приведет к существенному улучшению разделяющей и сдерживающей способности системы, но увеличит время перегона, а также количество «голов» и «подголовников».Другими словами, с увеличением высоты трубы прибавка к разделяющей способности ректификационной колонны на каждый дополнительный сантиметр снижается. Эффект от увеличения трубы с 50 см до 60 см на порядок выше, чем со 140 см до 150 см.
Объем куба для ректификационной колонны
Чтобы повысить выход качественного спирта, но не допустить переполнения сивухой колонны, навалку (наполнение) спирта-сырца в кубе ограничивают в диапазоне 10-20 объемов насадки. Для колонн высотой в 1,5 м и диаметром 50 мм – 30-60 л, 40 мм – 17-34 л, 32 мм – 10-20 л, 28 мм – 7-14 л.
С учетом заполнения куба на 2/3 объема, для колонны внутренним диаметром царги 50 мм подойдет 40-80 литровая емкость, для 40 мм – 30-50 литровая, для 32 мм – 20-30 литровый куб, а для 28 мм – скороварка.
При использовании куба объемом ближе к нижней границе рекомендованного диапазона можно смело убрать одну царгу и уменьшить высоту до 1-1,2 метра. В результате сивухи будет относительно мало для прорыва в отбор, а вот объем «подголовников» заметно уменьшится.
Источник и мощность нагрева колонны
Тип плиты. Самогонное прошлое не дает покоя многим новичкам, которые считают, что если раньше использовали для нагрева самогонного аппарата газовую, индукционную или обычную электрическую плиту, то можно оставить этот источник и для колонны.
Процесс ректификации существенно отличается от дистилляции, всё намного сложнее и костер не подойдет. Нужно обеспечить плавную регулировку и стабильность подаваемой мощности нагрева.
Электроплитки, работающие по терморегулятору в режиме старт-стоп, не используются, потому что как только произойдет кратковременное отключение питания, пар перестанет идти в колонну, а флегма рухнет в куб. В таком случае придется начать ректификацию заново – с работы колонны на себя и отбора «голов».
Индукционная плита – крайне грубый аппарат со ступенчатым изменением мощности по 100 -200 Вт, а при ректификации нужно менять мощность плавно, буквально по 5-10 Вт. Да и стабилизировать нагрев независимо от колебания напряжения на входе вряд ли получится.
Газовая плита при залитом в куб 40-процентном спирте-сырце и 96-градусоном продукте на выходе представляет смертельную опасность, не говоря уже о колебании температуры нагрева.
Оптимальное решение – врезать в куб колонны тэн нужной мощности, а для регулировки использовать реле со стабилизацией выходного напряжения, например, РМ-2 16А. Можно взять и аналоги. Главное получить на выходе стабилизированное напряжение и возможность плавно менять температуру нагрева по 5-10 Вт.
Подаваемая мощность. Чтобы нагреть куб за приемлемое время, нужно исходить из мощности 1 кВт на 10 литров спирта-сырца. Значит, для 50 л куба, заполненного на 40 литров, требуется минимум 4 кВт, 40 л – 3 Квт, 30 л – 2-2.5 кВт, 20 л – 1.5 кВт.
При одном и том же объеме кубы могут быть низкими и широкими, узкими и высокими. Выбирая подходящую емкость, нужно учитывать, что зачастую куб используется не только для ректификации, но и при дистилляции, поэтому исходят из самых жестких условий, чтобы подводимая мощность не приводила к бурному пенообразованию с выбросами брызг из куба в паропровод.
Опытным путем установлено, что при глубине размещения тэна около 40-50 см нормальное кипение происходит в случае, если на 1 кв. см зеркала навалки приходится не более 4-5 Вт мощности. При уменьшении глубины допустимая мощность увеличивается, а при увеличении – уменьшается.
Есть и другие факторы, влияющие на характер кипения: плотность, вязкость и поверхностное натяжение жидкости. Бывает, что выбросы происходят в конце перегонки браги, когда увеличивается плотность. Поэтому вести процесс ректификации на границе дозволенного диапазона всегда чревато неприятностями.
Распространенные цилиндрические кубы имеют диаметр 26, 32, 40 см. Исходя и допустимой мощности на площадь поверхности зеркала кубовой навалки 26 см куб, будет нормально работать при мощности нагрева до 2,5 кВт, для 30 см – 3.5 кВт, 40 см – 5 кВт.
Третьим фактором, определяющим мощность нагрева, является использование одной из царг колонны без насадки в качестве сухопарника для борьбы с брызгоуносом. Для этого нужно, чтобы скорость пара в трубе не превышала 1 м/с, при 2-3 м/с защитный эффект ослабевает, а при больших значениях пар будет гнать флегму вверх по трубе и забрасывать в отбор.
Формула для расчета скорости пара:
V = N * 750 / S (м/сек),
- N – мощность, кВт;
- 750 – парообразование (куб. см/сек кВт);
- S – площадь поперечного сечения колонны (кв. мм).
Труба диаметром 50 мм справится с брызгоуносом при нагреве до 4 кВт, 40-42 мм – до 3 кВт, 38 – до 2 кВт, 32 – до 1,5 кВт.
Исходя из вышеперечисленных соображений, выбираем объем, размеры куба, мощность нагрева и дистилляции. Все эти параметры согласованы с диаметром и высотой колонны.
Расчет параметров дефлегматора ректификационной колонны
Мощность дефлегматора определяется в зависимости от типа ректификационной колонны. Если строим колонну с жидкостным отбором или паровым ниже дефлегматора, то необходимая мощность должна быть не меньше номинальной мощности колонны. Обычно в этих случаях в качестве конденсатора применяют холодильник Димрота с утилизационной мощностью 4-5 Ватт на 1 кв. см поверхности.
Если колонна с отбором по пару выше дефлегматора, то расчетная мощность составляет 2/3 от номинальной. В этом случае можно применить Димрот или «рубашечник». Утилизационная мощность рубашечника ниже, чем у димрота и составляет около 2 Ватт на квадратный сантиметр.
Пример холодильника Димрота для колонны Далее все просто: номинальную мощность делим на утилизационную. Например, для колонны с внутренним диаметром 50 мм: 1950 / 5= 390 кв. см площади Димрота или 975 кв. см «рубашечника». Значит, холодильник Димрот можно сделать из трубки 6х1 мм длинной 487 / (0.6 * 3.14) = 2.58 см для первого варианта, с учетом коэффициента запаса 3 метра. Для второго варианта умножаем на две трети: 258 * 2 / 3 = 172 см, с учетом коэффициента запаса 2 метра.
Рубашечник для колонны 52 х 1 – 975 / 5.2 / 3.14 = 59 см * 2/3 = 39 см. Но это для помещений с высокими потолками.
«Рубашечник» Расчет прямоточного холодильника
Если прямоточник применяется как доохладитель в ректификационной колонне с жидкостным отбором, то выбирают самый маленький и компактный вариант. Достаточно мощности в 30-40% от номинальной мощности колонны.
Изготавливают прямоточный холодильник без спирали в зазоре между рубашкой и внутренней трубой, потом запускают отбор в рубашку, а охлаждающую воду подают по центральной трубе. В этом случае рубашку наваривают на трубу подачи воды в дефлегматор. Это мелкий «карандашик» длинной около 30 см.
Но если один и тот же прямоточник используется как при дистилляции, так и при ректификации, являясь универсальным узлом, исходят не из потребности РК, а из максимальной мощности нагрева при дистилляции.
Для создания турбулентного потока пара в холодильнике, позволяющего обеспечить интенсивность теплопередачи не меньше 10 Ватт/кв. см, необходимо обеспечить скорость пара около 10-20 м/с.
Диапазон возможных диаметров достаточно широк. Минимальный диаметр определяется из условий не создания большого избыточного давления в кубе (не более 50 мм вод столба), а максимальный расчетом числа Рейнольдса, исходя из минимальной скорости и максимального коэффициента кинематической вязкости паров.
Возможная конструкция прямоточного холодильника Чтобы не вдаваться в ненужные подробности, приведем самое распространенное определение: «Для того, чтобы в трубе поддерживался турбулентный режим движения пара, достаточно, чтобы внутренний диаметр (в миллиметрах) был не больше 6-кратной мощности нагрева (в киловаттах)».
Для предотвращения завоздушивания водяной рубашки необходимо поддерживать линейную скорость воды не ниже 11 см/с, но чрезмерное увеличение скорости потребует большого давления в водопроводе. Поэтому оптимальным считается диапазон от 12 до 20 см/с.
Чтобы сконденсировать пар и охладить конденсат до приемлемой температуры, нужно подавать воду при 20°C в объеме около 4.8 куб см/с (17 литров в час) на каждый киловатт подводимой мощности. При этом вода нагреется на 50 градусов – до 70°C. Естественно, зимой воды понадобится меньше, а при использовании автономных систем охлаждения, примерно в полтора раза больше.
На основании предыдущих данных можно рассчитать площадь поперечного сечения кольцевого зазора и внутренний диаметр рубашки. Нужно учитывать и доступный сортамент труб. Расчеты и практика показали, что зазор в 1-1.5 мм вполне достаточен для соблюдения всех необходимых условий. Этому соответствуют пары труб: 10х1 – 14х1, 12х1 – 16х1, 14х1 – 18х1, 16х1 – 20х1 и 20х1 – 25х1.5, которые перекрывают весь диапазон мощностей, применяемых в домашних условиях.
Есть еще одна немаловажная деталь прямоточника – спираль, навитая на паровую трубу. Делается такая спираль из проволоки диаметром, обеспечивающим зазор в 0.2-0.3 мм до внутренней поверхности рубашки. Навивается с шагом равным 2-3 диаметрам паровой трубы. Основное предназначение – центрирование паровой трубы, в которой при работе температура выше, чем в трубе рубашки. Это значит, что в следствии теплового расширения паровая труба удлиняется и изгибается, прислоняясь к рубашке, возникают мертвые зоны, не омываемые водой охлаждения, в результате эффективность холодильника резко падает. Дополнительными плюсами навивки спирали являются удлинение пути и создание турбулентности охлаждающего потока воды.
Грамотно выполненный прямоточник может утилизировать до 15 Ватт /кв. см площади теплообмена, что подтверждено опытным путем. Для определения длины охлаждаемой части прямоточника воспользуемся номинальной мощностью в 10 Вт /кв. см (100 кв. см/кВт).
Необходимая площадь теплообмена равна мощности нагрева в киловаттах, умноженной на 100:
S = P * 100 (кв. см).
Длина внешней окружности паровой трубы:
Lокр = 3.14 * D.
Высота рубашки охлаждения:
H = S / Lокр.
Общая формула расчета:
H = 3183 * P / D (мощность в кВт, высота и внешний диаметр паровой трубы в миллиметрах).
Пример расчета прямоточника
Мощность нагрева – 2 кВт.
Возможно применение труб 12х1 и 14х1.
Площади сечения – 78,5 и 113 кв. мм.
Объем пара – 750 * 2=1500 куб. см /с.
Скорости пара в трубах: 19,1 и 13,2 м/с.
Труба 14х1 выглядит предпочтительней, так как позволяет иметь запас по мощности, оставаясь в рекомендованном диапазоне скорости пара.
Парная труба для рубашки – 18х1, кольцевой зазор составит 1 мм.
Скорость подачи воды: 4,8 * 2= 9.6 см3/с.
Площадь кольцевого зазора – 3.14 / 4 * (16 * 16 – 14 * 14) = 47.1 кв. мм = 0,471 кв. см.
Линейная скорость – 9.6 / 0.471 = 20 см/с – значение остается в рекомендованных пределах.
Если бы кольцевой зазор был 1,5 мм – 13 см/с. Если 2 мм, то линейная скорость упала бы до 9.6 см/с и пришлось бы подавать воду выше номинального объема, исключительно для того, чтобы не завоздушивался холодильник, – бессмысленная трата денег.
Высота рубашки – 3183 * 2 / 14 = 454 мм или 45 см. Коэффициент запаса не нужен, все учтено.
Итог: 14х1-18х1 с высотой охлаждаемой части 45 см, номинальный расход воды – 9.6 куб. см/с или 34.5 литра в час.
При номинальной мощности 2 кВт нагрева холодильник будет выдавать 4 литра спирта в час с хорошим запасом.
Эффективный и сбалансированный прямоточник при дистилляции должен иметь соотношения скорости отбора к мощности нагрева и расходу воды на охлаждение 1 литр/час – 0,5 кВт – 10 литров/час. Если мощность выше, будут большие теплопотери, малая – полезная мощность нагрева снизится. Если расход воды выше, прямоточник имеет неэффективную конструкцию.
Ректификационную колонну можно использовать в качестве бражной. Оборудование для бражных колонн имеет свои особенности, но вторая перегонка отличается в основном технологией. Для первой перегонки особенностей больше и отдельные узлы могут оказаться не применимыми, но это тема для отдельного разговора.
Исходя из реальных домашних потребностей и существующего асортимента труб, рассчитаем по приведенной методике типовые варианты ректификационной колонны.
P.S. Выражаем благодарность за систематизацию материала и помощь в подготовке статьи пользователю нашего форума .
Те, кто производит спиртное в домашних условиях, знают о ректификационной колоне и ее важности в получении настоящего спирта и качественного алкоголя. Такой аппарат позволяет получить чистый спирт и даже можно перегнать брагу, чтобы спирт был 96%. Подобные конструкции часто и почти всегда используются в промышленных целях, в быту встретить колонну можно реже, но все же они используются. Если применять такую конструкцию, то можно будет иметь возможность отделять жидкости, у которых разная степень кипения. Поэтому в статье будет описано, как сделать ректификационную колонну в домашних условиях.
Материалы для создания
Чтобы смастерить аппарат своими руками потребуется приготовить довольно много материала:
- Потребуется обыкновенная труба, сделанная из нержавейки. В диаметре труба должна быть 3,5-5,5 см, в длину допускается использование трубы от 1,2 м до 1,5 м. Толщина материала не должна быть меньше чем 1 мм.
- Также нужно использовать старый термос, у которого объем будет 1 литр, но можно использовать емкость с объемом 750 мл. Из термоса в дальнейшем будет делаться дефлегматор.
- Чтобы соединять разные части и элементы ректификационной колонны потребуются переходники, которыми будут соединяться трубы, с термосом, он же дефлегматор, а также с перегонным кубом.
- Готовится утеплить, благодаря которому, можно будет добиться нужного уровня теплоизоляции определенных участков аппарата.
- Еще нужен лист метала из нержавеющей стали, из которого будут делаться опорные шайбы.
- Дополнительно применяются трубки в диаметре от 4 до 6 мм, чтобы по ним можно было пускать воду в холодильник.
- Для установки термометра используется небольшой кусок фторопласта, но если его нет, то подойдет и другой материал.
- Термометр, благодаря которому можно будет вести контроль температуры. Использовать можно как электронный вариант, так и стандартный.
- Переходники для крана.
- Гибкие шланги в длину по 10 см.
- Для проведения работы нужна будет дрель и разные сверла, а также наждачка. Дополнительно используется молоток, плоскогубцы, напильник, паяльник, горелка на газу.
В целом видов подобного устройства немного и самому принято делать колонну из термоса. Вид колонны представлен на картинке:
Ректификационная колонна из термоса
Для создания подобной конструкции потребуется отрезать кусок трубы той длины, которая потребуется, если есть труба из титана, то лучше использовать ее. Далее, с отрезанного материала снимается фаска, и торцуются края. После этого потребуется сделать переходник, который будет служить для соединения всех узлов, а именно забора дистиллята и трубки с крышкой аппарата. Важно отметить, что такой соединительный элемент должен будет одной стороной плотно вставляться в трубу, а на его другой стороне необходимо нарезать резьбу в пару миллиметров.
Теперь потребуется сделать опорные шайбы, благодаря которым будут держаться насадки. Размеры нужно использовать такие, чтобы шайбы плотно входили в саму трубу. Как правило, такой размер колеблется от 3 до 4 мм в диаметре. Одна сторона монтируется в трубу, затем в точке соединения с перегонным кубом припаивается переходник. В трубу нужно вставить сам переходник, а точку спайки разогреть горелкой на газу.
Далее, нужно сделать наполнитель для самой колоны. Для этого насыпается наполнитель в трубку, после чего труба трясется, чтобы положенный материал плотно и равномерно распределился внутри. Очень важно заполнять пространство до верха.
В подготовленную трубу вставляется опорная шайба и насадки, после чего монтируется залуженный торец отбора и спаиваем. Теперь надо все обработать термоизолятором. Можно переходить к термосу. Его потребуется полностью разобрать, днище посудины зачистить при помощи обычной наждачки, после чего залужить. Из куска металла необходимо сделать скобу, а также петли, используя для них проволоку. Готовые петли заводятся в отверстие скобы, после чего скручиваются при помощи плоскогубцев.
В тисках надо зажать один конец проволоки, затем закрепить его на стенке посудины. Термос в таком состоянии нужно быстро и резко потрусить, чтобы у него отлетело днище. Острые края днище надо обточить, после чего достать из внутренней части термоса колбу.
Можно начинать делать дефлегматор. Для этого и потребовалось удалять днище из термоса, а также его вакуумную крышку. Внутри колбы, в центре нужно сделать дыру при помощи дрели и сверла, чтобы мог попадать воздух. Полученное отверстие следует зачистить и залужить, после чего вставить шлангу и запаять ее. В центре дна посудины необходимо тоже сделать дырку и надеть колбу, после чего соединить трубку и днище при помощи паяльника.
Горловина и часть отбора необходимо залужить. Сам узел забора монтируется в горловину и запаивается. В обеих частях внешней колбы, а именно вверху и внизу нужно сделать дырку, через которые будут проходить трубки для подачи воды. Через них будет приходить, и уходить вода для охлаждения. Сделав дырки и вставив трубки, все соединительные места герметизируются паяльником. В части забора нужно тоже сделать дырку для установки термометра. Сама втулка тоже требует усовершенствования. В ней делается дырка по диаметру аналогичная щупу термометра. Рекомендуется засовывать щуп не глубоко, достаточно будет о 5 мм. Затем все успешно вставляется в часть забора.
Все места, где проводилась спайка нужно обязательно промыть раствором из обыкновенной соды. Далее, к колонне прикручивается дефлегматор, который тоже нужно промыть раствором. На схеме продемонстрирована ректификационная колонна с применением термоса:
Как правило, ректификационная колонна, что сделана своими силами в условиях дома получается эффективнее, чем покупные аналоги. Если есть страх, что сделать устройство не получится или это просто нереально, тогда можно выбрать готовые модели в интернете и других специализированных магазинах. С оптимальными размерами и стоимостью. Для более наглядного этапа производства колонны можно посмотреть видео.
Чтобы получить чистый самогон, домашние кулинары обычно прибегают к двойной перегонке. В результате выходит качественный продукт без вредных примесей, с приятным вкусом и ароматом.
Еще лучший эффект дает дистилляция в ректификационной колонне. Она позволяет получить максимально очищенный крепкий спирт (94–96%) или водку без дополнительных привкусов и запахов.
При этом минусов у устройства практически нет, за исключением крупных габаритов и необходимости потрудиться над его изготовлением. В том, что ректификационную колонну лучше собирать самостоятельно, сходится большинство опытных самогонщиков.
Конструкция и принцип работы ректификационной колонны
Перегонный куб
Царга (труба) с наполнителем
Узел отбора спирта
Дефлегматор
Дополнительный холодильник
Работает она следующим образом
Находящаяся в перегонной емкости брага нагревается и начинает испаряться. Пары следуют вверх по царге, достигают холодильника и узла отбора, кран которого на начальном этапе закрыт.
Сконденсированные пары (флегма) спускаются обратно по трубе. При этом тяжелые фракции накапливаются внизу, а легкие – вверху. Благодаря насадкам, процессы конденсации и испарения происходят многократно: пары и жидкости непрерывно взаимодействуют.
Этот процесс обмена и представляет собой процесс ректификации. Самые легкие пары с высоким содержанием спирта отводятся в холодильник, где происходит финальная конденсация. В результате в приемную емкость поступает чистый дистиллят.
Расчет параметров и подбор материалов
Прежде чем приступать к сборке колонны, следует определиться с размерами и другими характеристиками аппарата.
Высота царги
Если раньше ректификационные колонны представляли собой многометровые конструкции, то сегодня домашние винокуры пользуются компактными вариантами – около 1,5 метров длиной. Главный принцип, которым следует руководствоваться при расчете габаритов следующий: высота трубы должна быть равна примерно 50 ее диаметрам. Допускаются небольшие отклонения в одну или другую сторону. Однако длина царги не может быть меньше 1 метра. В противном случае часть сивушных масел попадет в отбор, и возникнут трудности с разделением фракций. Увеличение высоты колонны свыше 1,5 метров на качество продукта существенно не влияет, но удлиняет время перегона. К тому же, разместить такую конструкцию в домашних условиях будет проблематично. Оптимальные размеры трубы: длина – 1,3-1,4 м, диаметр – 3–5 см.
Материал и толщина стенок
Идеальным вариантом для царги является пищевая нержавейка: она никак не влияет на состав напитков. Также подойдет медь. Оптимальная толщина стенок находится в пределах 1–2 мм. Больше можно, но это утяжелит конструкцию и увеличит расходы, не принося особой выгоды. К тому же стоит помнить, что в стенках придется делать отверстия.
Вид и параметры насадок
В качестве контактного элемента проще всего использовать бытовые мочалки из нержавейки, которыми чистят посуду. Чтобы проверить качество металла, можно замочить изделие в растворе соли и оставить в нем на сутки: хорошее изделие не заржавеет. Альтернативными вариантами являются стеклянные шарики, камни определенных пород, металлическая стружка. Плотность набивки составляет 250–270 г контактного элемента на 1 л объема колонны.
Объем куба
Емкость для перегонки заполняют на 2/3, при этом количество спиртосодержащей жидкости должно соответствовать 10–20 объемам насадки. Для колонны с диаметром 5 см оптимально использовать бак на 40–80 л, для ширины в 4 см – 30–50 л.
Источник нагрева
Не рекомендуется использование газовой, электрической или индукционной плиты. Первый вариант опасен, остальные не позволяют обеспечить равномерную подачу тепла. Оптимальным вариантом является электронагрев с помощью ТЭНов, которые можно вмонтировать в куб самостоятельно. Мощность элементов зависит от объема куба: на 50 л требуется не менее 4 кВт, на 40 л – не менее 3 кВт и т. д.
Вид теплоизоляционного материала
Он должен выдерживать высокие температуры, быть химически инертным. Обычно используют поролон 3–5 мм толщиной, фторопластовые или силиконовые (но не резиновые!) прокладки.
Вариант состыковки
Если используются резьбовые соединения, может потребоваться герметик. Лучше отдать предпочтение надеванию элементов друг на друга.
При создании ректификационной колонны имеет значение каждая мелочь, поэтому следует строго соблюдать все рекомендации. Не лишним будет посмотреть видео сборки.
В одну часть, которая будет находиться внизу, засыпают выбранный вид насадок, предварительно установив сетку и упорную шайбу для исключения выпадения материала. Если используются металлические губки (потребуется около 40 шт.), предварительно нарезают их на кусочки по 5 мм. Пружинки следует распределять равномерно, постукивая трубой по твердой поверхности. Засыпав насадку, закрывают трубу сеткой, фиксируют ее шайбой.
Подсоединяют получившуюся конструкцию к перегонному кубу и утепляют ее теплоизоляционным материалом.
Вторую (верхнюю) часть трубы с помощью паяльника соединяют с дефлегматором. В водяном корпусе должно быть 2 патрубка: на ввод и вывод воды. Дефлегматор можно купить или сделать самостоятельно из термоса, скороварки, змеевика, медной трубки (первые варианты предпочтительнее). Например, так: https://youtu.be/D4ZsbbRH6ds
Верхний конец колонны закрывают пробкой/крышкой или запаивают, оставив отверстие для установки атмосферной трубки. Для ее закрепления используют штуцер, конец трубки опускают в воду.
Делают отверстие под патрубок для выхода дистиллята. Оно должно находится на пару сантиметров выше места соединения с нижней частью трубы, под ним устанавливают пластинку для сбора конденсата.
С помощью силиконового шланга подсоединяют к колонне холодильник. Его можно купить или сделать самостоятельно. Для регуляции процесса движения жидкости на шланг крепят зажим от капельницы.
Соединяют охлаждающие элементы между собой: верхнюю часть холодильника с низом дефлегматора, верхнюю часть дефлегматора с канализацией. Таким образом, вода к дефлегматору будет поступать подогретой.
Дополнительно можно установить регулятор потока воды и термометр (для него потребуется дополнительное отверстие в узле отбора).
Можно также разделить царгу на 3 части: такая конструкция считается более вариативной в применении. Подробный процесс сборки колонны можно посмотреть здесь:
Загрузка...
