Ректификация устройство принцип работы ректификационной колонны. Делаем ректификационную колонну своими руками — пошаговая инструкция

Многим виноделам сложно выбрать для себя устройство, ведь сейчас производство предлагает их множество. Но все аппараты для получения алкоголя делятся на две группы - это дистилляторы и ректификационные колонки. Поэтому в первую очередь необходимо принять решение о выборе из этих вариантов, а потом уже присматриваться к конкретному аппарату согласно имеющихся средств. Итак, ректификационная колонна или самогонный аппарат - что лучше?

Характеристики обоих устройств

Дистиллятор, или самогонный аппарат, используется для получения спирта-сырца из браги путем ее очистки. Суть его работы состоит в следующем:

Сначала вы подготавливаете брагу согласно рецептуре.
Когда брага готова, она отправляется в перегонный куб и нагревается до температуры кипения спирта и выше.
В результате нагревания брага испаряется и конденсируется в охладителе. После этого на выходе начинает капать жидкость.
В зависимости от того, какая температура в кубе, будут выходить соответствующие фракции. В первую очередь уходят летучие примеси - ацетон, метиловый спирт, альдегиды. Эта фракция носит названия головы.
После того, как вышли головы, выходит тело, или спирт-сырец, чистый спиртосодержащий продукт 40–70 %.
Последними выходят хвосты - спиртосодержащая смесь, в которой содержится большое количество сивушных масел.

Как головы, так и хвосты содержат небезопасные вещества для организма, и задача самогонщика их отделить. Поэтому самые профессиональные самогонные аппараты снабжаются такими устройствами, как дефлегматор, термометр, спиртометр, сухопарник и другие. Все они помогают более точно контролировать процесс получения чистого продукта. Чаще всего после первой перегонки идет повторная. В некоторых случаях она не проводится, например, при желании получить не слишком чистый, но ароматный продукт, когда брагу изготавливают на основе фруктов.

Ректификационная колонна

В самогонном аппарате важна такая вещь, как производительность, которая зависит не только от скорости нагрева жидкости, но и от скорости ее охлаждения, а также дополнительные устройства для очистки продукта.

Конструкция самогонного аппарата довольно простая. В наиболее примитивном варианте это просто емкость для нагревания и охлаждения пара. Кроме того, что-то наподобие самогонного аппарата можно изготовить и дома без особых затрат. Для получения устройства более сложного, позволяющего повысить характеристики напитка, необходимо немного потрудиться, но, как правило, это также вполне реально.

Резюмируя все это, можно утверждать, что самогонный аппарат обладает такими преимуществами:

Простотой конструкции. Принцип его работы будет понятен всем, аппарат легко изготавливается в домашних условиях с небольшими затратами.
Низкой стоимостью и отсюда - доступностью.
Простотой работы.
Большим количеством рецептов напитков, которые можно встретить в интернете.
Надежностью конструкции, обусловленной опять же в первую очередь его простотой.

Для сравнения обоих методов получения домашнего алкоголя следует выделить и основные недостатки использования самогонного аппарата:

невысокая производительность;
невозможность получить напиток с высоким, более 70 %, содержанием спирта;
низкая степень очистки по сравнению с ректификационной колонкой;
опасность работы при несоблюдении основных правил.

Что такое ректификационная колонна? Ректификация построена несколько по другому принципу. Она представляет собой процесс теплообмена в колонне, который помогает отделить ректификат. То есть при нагревании в колонне все составляющие исходного вещества «выстраиваются в очередь» в зависимости от их температуры кипения:

кетоны при 56 градусах;
метиловый спирт при 65 градусах;
этиловый спирт с водой при 78 градусах;
сивушные масла и основная часть воды при 100 градусах.

Суть процесса заключается в том, как именно жидкость контактирует с газообразной фазой. В верхней части колонны находится дефлегматор, который обеспечивает получение жидкой фазы из газа, то есть конденсацию, и направляет конденсат обратно вниз. При условии встречи жидкости и пара происходит их взаимодействие и обмен фракциями с различными температурами кипения. Хорошо увидеть процесс ректификации спирта можно на аппарате, у которого эта колонна стеклянная.

Колонна представляет собой высокую емкость. Этот факт обеспечивает оптимальную разность температур в различных ее частях. В верхней части температура составляет 78 градусов, поэтому до нее доходит только этиловый спирт. Более тяжелые фракции, такие как вода и сивушные масла, стекают вниз, поскольку обладают куда более высокой температурой кипения.

Если использовать такое приспособление для перегонки браги, спирт получается куда более качественным и чистым, чем в самогоне, по сути, 100 градусов.

Промышленно выпускаемая колонна для самогонного аппарата имеет более высокую производительность, некоторые из них дают более 500 л в час.

Главные преимущества ректификации заключаются в том, что она позволяет получить более качественный продукт с минимальным количеством примесей, которые при перегонке отсекаются и называются головами и хвостами. Поэтому ректификационная колонка идеально подходит в том случае, когда нужно получить чистый продукт из сахара, который содержит наибольшее количество посторонних запахов и вкусов. Недостатком является низкая производительность, а, кроме того, ее неудобно применять для получения водки из фруктов, когда запахи и вкусы необходимо сохранить.

Самогонный аппарат или ректификационная колонна?

Для того чтобы знать, что конкретно вам понадобится, необходимо взвесить множество различных факторов, одним из основных является цена. Стоимость самогонного аппарата в несколько раз ниже, а его возможностей хватает для большого количества задач. В то же время стоит уточнить, что сама по себе ректификационная колонка не дает чистый продукт из браги, так как в нее необходимо заливать спирт-сырец. Спирт-сырец представляет собой спиртовой раствор, продукт первой перегонки браги. Таким образом, она самодостаточной не является, необходимо также покупать и сам самогонный аппарат, что усложняет задачу.

Получить спирт такого качества и степени очистки на самогонном аппарате невозможно. А вот ректификационная колонка может работать в режиме обычного самогонного аппарата. Получается что она лучше, но при этом и стоимость отличается.

Считается что степень очистки ректификата в 60 раз выше таковой у самогона. Даже если ее использовать в режиме дистилляции, все равно продукт получается чище. Но цена не всегда себя оправдывает, ведь речь идет именно о домашнем алкоголе. Многие умельцы-самогонщики испытывают рецепты, делая самогон на фруктовой основе и не только. Для них вполне достаточно самогонного аппарата, так как он даст большую насыщенность вкусов.

Чтобы продукт был качественным, используются другие приемы, такие как сухопарник, дефлегматор, повторная дистилляция, фильтрация и другое.

Как правило, опытные самогонщики достаточно ознакомлены со всеми возможностями обоих устройств и точно знают, чего они хотят. Для новичков сложно иногда разобраться и в базовых основах дистилляции, особенно это касается отсечения голов и хвостов. Дело в том, что с опытом люди начинают делать это просто на глаз, но к этому нужно прийти. А чтобы сделать это правильно, понадобится дополнительное оборудование. Так что стоимость самогонного аппарата для новичков будет составлять немало, и не все они себе смогут позволить и ректификационную колонну.

Таким образом, рассмотрев все достоинства и недостатки обоих устройств, можно сказать, что лучше отдать предпочтение ректификационной колонке в случае регулярного использования ее для получения спирта из браги на основе сахара. Если вы обладаете прекрасным садом и любите побаловать себя водкой на фруктовой основе, то ваш выбор должен пасть на дистиллятор, которого для такой задачи будет более чем достаточно. Можно потратиться и купить аппарат с сухопарником.

Стоить также напомнить, что покупка обоих приборов вполне легальна для производства домашнего самогона. Но это касается только изготовления его не с целью наживы и, соответственно, продажи.

Ректификация позволяет получить спирт высокой крепости и чистоты. Оба качества зависят от того, насколько хорошо человек, управляющий процессом, понимает его суть. Поэтому знать теорию ректификации надо каждому, кто хочет делать чистые и крепкие спиртные напитки на самогонном аппарате .

История ректификации

Начнем с процесса дистилляции, ведь именно он является предшественником ректификации. Нет точной информации о том, кто первый изобрел дистилляцию. В. Шнайдер, составитель словаря алхимических и фармацевтических терминов, считает, что данная заслуга принадлежит в первую очередь персам, которые использовали дистилляцию, чтобы получить розовую воду (эфир розы). Можно сделать вывод, что история дистилляции насчитывает более 3500 лет. Первоначально дистилляцией называли все процессы разделения смесей на компоненты. По мере их изучения процессы классифицировали и дали им наименование. Таким образом, в сейчас дистилляцией называют разделение веществ, основанное на испарении жидкости и последующей конденсации паров.

Аламбики были первыми аппаратами для дистилляции и конструкционно практически не изменились за несколько тысяч лет. Первоначально использовались, чтобы получать ароматные масла.

Наука не стояла на месте, процесс дистилляции тщательно изучался и совершенствовался. С начала XVI века наблюдалось большое количество работ по подбору испарительных кубов и системы обогрева аппаратов. Для обеспечения непрерывной работы колонны использовались водяные и песочные бани, применялись восковые свечи. Только к 1415 году впервые было предложено применять теплоизоляцию, а именно шерсть животных. В конце XVI века было выявлено преимущество водяного охлаждения конденсатора, до этого времени охлаждение было воздушным.

В период XVI по XIX век стремительно происходила модернизация аппаратурного оснащения. Исходя из инертности материалов по отношению к возгоняемым жидкостям, в перегонных кубах в качестве оптимальных использовались стекло и керамика, в дальнейшем нержавеющая сталь. В 1709 году впервые появились теории о дефлегмации (возвращении части сконденсировавшихся паров в колонну).

Результатом всех исследований и разработок стало изобретение первой ректификационной колонны непрерывного действия французскими инженерами Адамом, Бераром и Перье, получившие на нее патент в 1813 году. Она до сих пор соответствует современным ректификационным колоннам. С этого периода начинается история ректификации в науке и промышленности.

Понятие ректификации

Существуют различные определения ректификации.

Ректификация - это процесс разделения бинарных (двухкомпонентные смеси, например, спирт-вода) или многокомпонентных смесей за счет противоточного массо- и теплообмена между паром и жидкостью. Ректификация - разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, отличающиеся по температуре кипения, путём многократных испарений жидкости и конденсации паров.

Несмотря на столь сложные формулировки, в процессе ректификации нет ничего трудного. Имея необходимое оборудование и базовые знания, ее с легкостью можно провести у себя на кухне.

Процесс ректификации

Э. Крель в своих трудах «Руководство по лабораторной перегонке» изложил основной принцип ректификации:

Обмен веществ (массообмен и теплообмен) происходит путем прохождения паровой смеси через наполнитель колонны.

На скорость и качество этого процесса влияют следующие факторы:

Коэффициент диффузии (прохождение паровой смеси через наполнитель колонны);
Концентрация возгоняемого вещества;
Площадь поверхности контакта в колонне;
Разность температур кипения разделяемых компонентов.

Можно сделать вывод, что процесс ректификации спирта будет лучше протекать при следующих условиях: хорошей диффузии, высокой концентрации отделяемого компонента, развитой площади контакта.

Особое внимание Крель уделил важности состояния межфазной поверхности и перечислил факторы, определяющие процесс ректификации:

Свойства разделяемой смеси: летучесть компонентов, состав смеси, взаимная растворимость компонентов.
Характеристика насадки: форма насадочного тела, способ укладки насадки, плотность заполнения колонны.
Косвенные факторы: способ подачи жидкости в колонну, интенсивность и метод обогрева, рабочее давление.

Виды ректификационных колонн

В зависимости от применяемых контактных устройств, колонны делятся на тарельчатые и насадочные.

Тарельчатые ректификационные колонны

В основном распространены в нефтеперерабатывающей отрасли и на крупных производствах. Тарельчатые колонны представляют собой вертикальную трубу, в которой через определенное расстояние устанавливаются тарелки разной конфигурации, где идет контакт между паровой и жидкой фазами.

Недостаток колонн : дороговизна и большие габариты.

Преимущества : тарельчатая ректификационная колонна тоньше разделяет фракции.

Насадочные ректификационные колонны

На сегодняшний день широкое распространение получили насадочные колонны. Это те же вертикальные трубы, только в них устанавливается другое контактное устройство - насадка.

Насадки разделяются на два типа:

Нерегулярная - неупорядоченный слой насыпного или заполняемого инертного материала (например, спирально призматическая насадка СПН).

Преимущества : малый вес, большая площадь контакта.

Недостатки : высокое сопротивление, сложность правильного распределения паров и флегмы.

Регулярная - представляет собой скомпонованные в кассеты перфорированные сетки и листы (к ним относится регулярная проволочная насадка Панченкова (РПН).

Преимущества : высокая эффективность, малый перепад давления.

Недостатки : насадочная ректификационная колонна явных недостатков не показала.

Процессы в ректификационной колонне

Рассмотрим, что происходит в самой колонне на примере оборудования Фабрики «Доктор Губер». Здесь нет никакой магии или секретных технологий, все очень просто.

Ректификационные колонны для частного применения представляют собой вертикальные трубки диаметром от 40 до 50 мм, высотой не более 180 см, заполненные насадками РПН или СПН. Данные колонны оснащены холодильником или дефлегматором, а так же узлом отбора спирта.

Рассмотрим периодическую ректификацию на колонне насадочного типа с регулярной насадкой РПН, которую каждый сможет повторить в домашних условиях.

При нагреве куба с брагой, являющейся многокомпонентной смесью, в состав которой помимо воды и спирта входят побочные продукты брожения (альдегиды, кислоты, эфиры и т.д.), начинается процесс кипения и испарения данных компонентов. Температура начала процесса может быть разной, все зависит от качественного и количественного состава бражки или спирта-сырца. На протяжении процесса пар поднимается по колонне, начинает ее прогревать и частично конденсироваться, при этом образуется «дикую флегму».

Образование дикой флегмы происходит за счет охлаждения корпуса колонны, в связи с потерями тепла в окружающую среду. Возникают качественные и количественные потери по спирту (до 10%).

В стандартных ректификаторах проблема образования дикой флегмы решается с помощью теплоизолирования колонны.

Высококвалифицированные специалисты Фабрики Доктор Губер нашли другой способ решения данной проблемы путем создания колонны Торнадо. Структура колонны позволяет поднимающемуся пару проходить сначала по внешнему контуру колонны, создавая при этом активный подогрев. В результате потери тепла в окружающую среду от рабочей части колонны становятся минимальными. На выходе готовый продукт получается с улучшенными органолептическими и физико-химическими показателями.

После прогрева колонны пары достигают холодильника или дефлегматора, в котором они конденсируются и возвращаются в колонну в виде флегмы.

Поток флегмы направляется навстречу поднимающимся по колонне парам. Происходит массо- и теплообмен. Температура при ректификации спирта имеет ключевое значение: флегма на своем пути из зоны с низкой температурой в зону более высоких температур поглощает из потока паров высококипящие компоненты (сивушные масла) и выделяет легкокипящие компоненты (спирт). Так как процессы эти протекают на границе раздела фаз, то очень важно создать максимально возможную поверхность контакта. Для этого ректификационные колонны Доктор Губер оснащают РПН, который создает максимальную поверхность контакта по всей ее длине.

Качество получаемого спирта зависит от скорости отбора. А именно, чем больше флегмы забирается из колонны, тем хуже идет процесс массообмена, следовательно уменьшается крепость спирта на выходе из колонны. И наоборот, чем меньше забирается флегмы, тем лучше процесс массобмена и повышение крепости конечного продукта.

Для контроля скорости отбора спирта на колонны устанавливаются игольчатые краны для тонкой регулировки и смотровые стекла.

Создать развитую поверхность контакта недостаточно, необходимо ее правильно орошать. В насадочных колоннах имеет место пристеночный эффект. Флегма проходит не через насадку, а стекает по стенкам колонны, в результате чего падает эффективность ее работы. При правильном заполнении колонны этот эффект минимален, он практически отсутствует в колонне Торнадо, где устанавливается колпачковая тарелка с центральным изливом. В итоге флегма направляется ровно на насадку и достигается максимальный КПД данной колонны.

Что касается диаметра и высоты колонны, по данным Стедмана и Мак-Магона диаметр насадочных колонн оказывает незначительное влияние на качество разделяемых смесей.

Высота колонны. Речь идет о ее рабочей части (часть колонны, которая наполнена насадкой) должна быть не более (6-8)хD. Если высота больше данного выражения, то колонны заполняют секционно, чтобы избежать пристеночного эффекта.

Как выбрать ректификационную колонну

При выборе колонны обращайте внимание на следующие пункты:

Материал колонны, в том числе и наполнитель, должны быть инертны по отношению к парам спирта;
Колонна должна быть оснащена регулируемым узлом отбора;
Наличие высокопроизводительного холодильника или дефлегматора;
Обязательное присутствие атмосферного клапана для безопасной работы.

P.S. Ректификация спирта не сложный процесс и при наличии необходимого оборудования ее с легкостью можно провести в домашних условиях. К 2016 году ассортимент ректификационного оборудования безгранично возрастает. Несмотря на небольшие конструктивные отличия всех аппаратов, процесс ректификации остается неизменным и его качество будет в первую очередь зависеть от знаний и опыта человека, контролирующего процесс.

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 .

Ректификация – это способ разделения компонентов смеси, основанный на свойстве компонентов данной смеси выкипать при различных температурах.

Ректификация представляет собой процесс разделения бинарных, многокомпонентных или непрерывных смесей на практически чистые компоненты или их смеси (фракции), отличающиеся температурами кипения (для бинарных и многокомпонентных смесей) или интервалами выкипания (для непрерывных смесей).

Анализ и нефтепродуктов на содержание в них индивидуальных углеводородов и их классов показывает, что нефть и ее фракции представляют собой сложную многокомпонентную смесь. Количество компонентов в нефти превышает 2000. Из-за большого количества компонентов нефть принято считать непрерывной смесью и выражать ее состав кривой истинных температур кипения (ИТК), имеющей плавный, непрерывный характер.

Поэтому процесс ректификации представляет собой массообмен, протекающий в обе стороны между 2-мя фазами смеси, одна из которых – жидкость, а другая – пар. Иными словами, это многократно повторяющееся контактное взаимодействие неравновесных фаз в виде жидкой нефти, а также пара.

Процесс ректификации осуществляется в результате контакта потоков пара и жидкости. При этом непременным условием является перемещение пара и жидкости навстречу друг другу по высоте (длине) ректификационного аппарата. Движущей силой тепло- и массообмена между паром и жидкостью в аппарате является разница температур по высоте (длине) аппарата.

Типы ректификационных тарелок

Ректификационная колонна является одним из центральных аппаратов технологической установки по первичной переработке нефти или нефтепродуктов. Применение данного аппарата вызвано необходимостью реализации простого способа разделения нефти или ее продуктов на фракции в зависимости от их температур кипения. Такой способ получил название ректификации, а аппарат для проведения данного процесса – ректификационной колонной.

Но одна ректификационная колонна не может справиться с задачами по разделению фракций. На нефтеперерабатывающих предприятиях колонна тесно связана со множеством другого оборудования – насосного, теплообменного, печного, сепарационного.

Наиболее удобно иллюстрировать принцип действия ректификационного аппарата на примере колонны с колпачковыми тарелками.

Ректификационные колонны

Тепломассообмен между противоточно движущимися неравновесными паровой и жидкой фазами в ректификационных осуществляется на контактных устройствах (КУ), которые часто называются “тарелками”.

В ректификационных колоннах поток парового орошения создается нагревательными элементами (печь, ввод перегретого водяного пара), а жидкого – конденсационными устройствами ( , холодные циркуляционные орошения).

В результате взаимодействия между паровой и жидкой фазами на КУ в соответствии с законами термодинамического парожидкостного равновесия паровая фаза обогащается легкокипящими, а жидкая – тяжелокипящими компонентами. Поэтому именно КУ и определяют в значительной мере общую эффективность процесса разделения.

Для нефтяных колонн вообще и для колонн АВТ, в частности, можно выделить ряд присущих им характерных особенностей:

очень высокая производительность по сырью (до 1000 м 3 /ч для атмосферной колонны);
подвод тепла в разделительную систему осуществляется огневым нагревом сырья в трубчатой печи (основная и вакуумная колонны АВТ), вводом перегретого водяного пара (практически все колонны) и циркуляцией «горячей струи» (отбензиневающая колонна АТ);
последнее обстоятельство предполагает применение специальных сепарационных зон для разделения паровой и жидкой фаз;
в схеме ректификации присутствуют выносные отпарные секции, а также циркуляционные орошения, что предполагает возможность организации на КУ боковых отборов жидкой фазы и подводов как паровой, так и жидкой фаз в нескольких точках по высоте колонны.

Кстати, прочтите эту статью тоже: Вакуумная колонна

Эти особенности должны учитываться при выборе конструкций контактных устройств в задачах проектирования блоков разделения нефти.

Принцип работы ректификационной колонны

Конструкция ректификационной колонны представляет собой вертикальную емкость цилиндрической формы различного или постоянного сечения, которая используется для физического разделения смеси углеводородов и получения требуемых нефтепродуктов заданного качества в результате ректификации.

В колонне пары перемещаются вверх от тарелки к тарелке за счет разности давлений в эвапорационном пространстве и вверху колонны. Жидкость стекает вниз по тарелкам и сливным устройствам под действием силы тяжести.

Ректификационную колонну можно разделить на 3 функциональные части:

Концентрационная секция – расположена выше точки ввода сырья в аппарат
Секция питания – в центре колонны, подается сырье на тарелку питания
Отгонная секция – находится ниже точки ввода сырья

Секция питания колонны

Концентрационная секция

Отгонная секция

Для возможности протекания процесса ректификации температура нефти должна быть ниже температуры подаваемого пара. Данное следствие исходит из свойств равновесной системы. Если температура нефти была бы равна или ниже температуры пара процесс ректификации был бы невозможен.

Процесс ректификации может проводиться только для смесей с различными температурами кипения для возможности осуществления диффузионного процесса разделения. Для этого жидкость двигается сверху вниз, а пар – снизу вверх, чтобы обеспечить наилучший контакт и взаимодействие фаз.

Классификация ректификационных колон

Колонные аппараты можно разделить в зависимости от технологического процесса:

Атмосферная и вакуумная перегонка (нефти и мазута);
Вторичная перегонка бензина;
Стабилизация нефти, газоконденсатов, нестабильных бензинов;
Фракционирование нефтезаводских, нефтяных и природных газов;
Отгонка растворителей при процессах очистки масел;
Разделение продуктов термодеструктивных и каталитических процессов переработки нефтяного сырья и газов и т. д.;

Кстати, прочтите эту статью тоже: Перекрестноточные насадки (ПТН)

Типы контактных устройств ректификационных колон

Для осуществления процесса ректификации в колонных аппаратах обязательно используют контактные устройства:

Насадочные;
Тарельчатые ;
Роторные.

Роторные колонны не получили большого распространения, к то время как тарельчатые и насадочные имеют большую популярность.

Тарелка с колпачковыми контактными устройствами

Видео: устройство и работа ректификационной колонны

ВАМ БУДЕТ ИНТЕРЕСНО:

На Атырауском НПЗ дан старт пусковым работам на Комплексе глубокой переработки нефти На НПЗ «Газпром нефти» в Москве установлена колонна вакуумной перегонки нефти установки «Евро+» Атырауский НПЗ в 2017 году переработал 4 723 647 т нефти и перевыполнил план на 1,6% Государства ОПЕК пришли к соглашению, касающегося добычи нефти в этом году

) один раз и надолго, да еще и не прогадать с этим. Нужно понимать, что домашняя ректификационная колонна — это тоже дистиллятор, ведь физический принцип получения на выходе спирта один: испарение с последующей конденсацией отдельных жидких фракций, кипящих при разных температурах. Поэтому речь в этой статье пойдет о том, что лучше: классический дистиллятор или ректификационная колонна.

Достоинства и недостатки “классики”

Под классическим дистиллятором мы будем понимать самогонный аппарат с сухопарником. Его конструкция проста: перегонный куб, сухопарник, охладитель. В кубе происходит нагрев браги (сырца), в сухопарнике оседают брызги браги и происходит приоритетная конденсация “сивушных масел”, в охладителе пар становится жидкостью, которая стекает в приемную емкость на выходе. Разборный сухопарник помимо описанных двух функций может играть роль арома-корзины. Горячие пары, проходя через ароматное сырье (травы, ягоды, фрукты), насыщается эфирными маслами и другими приятно пахнущими веществами, тем самым насыщая дистиллят новыми вкусо-ароматическими нотками.

Холодильник может быть проточным или непроточным в зависимости от конструкции. Максимальная крепость дистиллята, получаемого на “классике”, редко достигает 90 градусов. Как правило, это 75-85 градусов крепости. Как правило, на таком самогонном аппарате предусматривается двухкратная перегонка. Сначала перегоняется брага, приготовленная по одному из . А затем полученный после первой перегонки спирт-сырец разбавляется водой до крепости 20 градусов и перегоняется повторно. Для дополнительной очистки дистиллята умельцы приспосабливают медную проволоку или сетку, помещая ее прямо в перегонный куб. В итоге, согласно сумме классической конструкции, получается продукт с хорошо выраженными вкусовыми и ароматическими свойствами сырья, из которого была сделана брага, крепостью в среднем до 80-85 градусов. Производительность такого аппарата обычно составляет 3-4 л/час.

Преимущества ректификационной колонны

Домашняя ректификационная колонна имеет значительное конструктивное отличие от аппарата классической модели. Над перегонным кубом устанавливается, как правило, U-образная трубка сложного строения. Восходящая ее часть — это непосредственно колонна, обязательно оснащенная дефлегматором. К нему подводится водяное охлаждение, и он играет роль охлаждающей рубашки, благодаря чему в колонне поддерживается нужная температура. Нисходящая часть колонны — это блок охладителя, к которому также подведено водяное охлаждение. Но если конструкция колонны полая — то это всего лишь бражная (пленочная), но еще не ректификационная колонна. Ректификационной она становится при наличии регулярных контактных насадок, расположенных в ней. Они многократно увеличивают площадь внутренней поверхности колонны, чем более полно осаждают лишние примеси.

Если насадка выполнена из меди, то она дополнительно адсорбирует соединения серы, наличествующие в зерновых и виноградных брагах. Благодаря дефлегматору высококипящие примеси (сивушные масла) практически в полном объеме конденсируются и стекают обратно в перегонный куб. А благодаря точной регулировке температурного режима перегонки максимально точно отсекаются головные фракции.

Ректификационная колонна позволяет получать чистый спирт максимально возможной крепости — 96 градусов. Таким образом в нем уже не останется вкусоароматических свойств исходного сырья. Дистиллят такой чистоты хорошо подходит для , предназначенных для лечебных целей. Однако получаемую крепость можно регулировать с помощью изменения температурных режимов, если Вам не нужна такая степень очистки. По большому счету, ректификационная колонна позволяет обойтись всего одной перегонкой. Вторая перегонка, однако, также повысит чистоту и крепость дистиллята.

Таким образом, выбор модели дистиллятора зависит от Ваших целей:

колонна более эффективно очищает продукт,
делает его максимально крепким,
позволяет полностью контролировать процесс перегонки.

Тогда как классический аппарат:

сохраняет вкусоароматические свойства сырья,
более прост в эксплуатации,
стоит дешевле.