Зміст:

1 Пристрій та принцип роботи колони ректифікації
2 Принцип роботи ректифікаційної колони і як зробити її своїми руками, розрахунок параметрів і креслення

Пристрій та принцип роботи колони ректифікації

Ректифікаційна колона розроблена майже 200 років тому і за свою історію справно послужила людям для отримання очищених рідин різного типу.

Основне призначення такої установки – це промислове виробництво (нафтопереробка, хімічна індустрія, нафтохімія, пивоваріння тощо).

У побуті невеликі пристрої активно використовують любителі якісного самогону. Покупні чи саморобні колони дозволяють отримати практично чистий спирт у домашніх умовах.

Як працює цей пристрій докладно розглянемо у цій статті.

Влаштування апарату для перегонки самогону

Ректифікаційний апарат колонного типу або просто колона ректифікації являє собою вертикально встановлений циліндр, всередині якого за допомогою різних пристроїв і вузлів досягається очищення рідин.

Важливо! Механізм очищення полягає в процесі ректифікації, тобто. розділення багатокомпоненних сумішей в результаті теплового та масового обміну контактуючих потоків пари та рідини.

Будь-яка рідина неоднорідного складу є сумішшю декількох компонентів.

Так самогон є сумішшю етилового та інших спиртів, ефірів, альдегідів, сивушних масел та інших речовин:

Кожен компонент має свою температуру кипіння та питому вагу.
За останнім показником проводиться розподіл на легкі та важкі фракції.
При нагріванні до температури кипіння рідина перетворюється на пару, яка також характеризується різною питомою вагою, що визначає їх летючість.
Рідини з низькою температурою кипіння (низькокиплячі) виділяє легколетюча пара, а висококиплячі компоненти – важколетючі пари.

Процес ректифікації ґрунтується на протилежному напрямку потоків пари та рідини (флегми, що утворюється в результаті конденсації пари), що видно на схемі.

Пара прямує вгору, а рідина скочується вниз. Ці природні потоки у вертикальному циліндрі контактують один з одним, що за законами фізики супроводжується тепловим та масовим обміном, що прагнуть врівноважити систему.

Пар, піднімаючись трубою, збагачується легколетючими компонентами, втрачаючи більш важкі, важколетючі інгредієнти, які розчиняються і конденсуються в менш нагрітій рідині і спрямовуються разом з нею вниз.
При достатній висоті циліндра до верху повинен дійти тільки один, легколетюча пара.
Тут його можна штучно конденсувати, перетворюючи на однорідну рідину.
Рідина, що стікається в нижню частину, знову розігрівається, і стартує новий цикл ректифікації.

Таким чином, забезпечується багаторазовість процесу, що дозволяє максимально очистити всю рідину, виділивши найбільш легку фракцію. У нафті це бензин, у самогоні – етиловий спирт.

Принцип роботи

Ректифікаційна колона дозволяє реалізувати процес ректифікації практично. Конструктивно вона є циліндром, у якому розташовується куб, куди подається і де розігрівається рідина, і дефлегматор, де утворюється рідкий конденсат (флегма).

Крім того, передбачаються контактні елементи, що забезпечують процес конденсації, збирання рідини та повторного випаровування.

Працює колона ректифікації наступним чином:

Куб заповнюється вихідною сировиною (приблизно на 2/3 обсягу) та розігрівається до температури кипіння рідини.
Випаровування піднімається вгору, а зустрівшись із дефлегматором, частково конденсується, перетворюючись на флегму, яка стікає по стінках циліндра вниз.
Цей процес у міру підйому пари по циліндру відбувається кілька разів, причому спочатку конденсуються найважчі фракції. До верху колони доходить найлегша фракція.
Під час роботи установки, в її циліндрі одночасно знаходяться пари, флегма, вихідна сировина та очищений, кінцевий продукт. Пари та флегма створюють взаємно протилежні потоки.
У початковий період (до стабілізації процесу) рекомендується не проводити відбір кінцевого продукту, який збагачує флегму та прискорює досягнення рівноважного режиму тепломасообміну.

Довідка! Ефективність роботи колони можна сказати флегмовим числом, тобто. ставленням обсягу флегми до кількості готового продукту, що відводиться.

Для стабільної роботи установки цей показник підтримується лише на рівні 3, що забезпечує при обороті трохи більше 25% очищеної рідини.

Різниця між дистиляцією та ректифікацією спирту

Найбільш поширеними способами очищення рідин є дистиляція та ректифікація. Ці технології багато в чому схожі, що часом викликає поєднання понять, що зовсім не так.

Дистиляція є очищенням шляхом нагрівання суміші до певної температури, коли активно випаровуються тільки низькокиплячі фракції, з подальшим охолодженням парів для забезпечення їх конденсації. Температура розігріву вихідної сировини вибирається так, щоб закип’яли лише зазначена фракція, при цьому висококиплячі компоненти не досягають кипіння, залишаючись в рідкому стані. Власне, самогонний апарат є прикладом дистилятора.
Ректифікація вимагає нагрівання суміші до кипіння всієї маси з наступним тепломасообміном рідкого та парового потоків. Дистиляція використовується як завершальна стадія, коли відводиться легколетюча пара перетворюється на рідину шляхом конденсації для отримання готового продукту.

Також у нас на сайті є стаття: як зробити самогонний апарат своїми руками

Принципові відмінності в механізмі процесу призводять до того, що кінцевий продукт при ректифікації має значно глибше очищення та високу якість порівняно з дистиляцією.

Справа в тому, що при дистиляції навіть кипляча рідина частково випаровується, а значить, у будь-якому випадку, певна кількість різних фракцій виявляється в очищеній рідині. Для того, щоб досягти хорошої якості, потрібне проведення до 6-7 процедур.

Ректифікація забезпечує отримання чистого однорідного продукту за один прохід. При очищенні самогону зазначений ефект суттєво позначається на фортеці:

Так, при одній дистиляційній перегонці вона не перевищує 35-40%, при двох – до 50-55%, трьох – до 70%.
Фортеця 90-95% (спирт) досягається після не менше 5 перегонів.
Ректифікаційна колона дозволяє отримати майже чистий спирт за один цикл. Крім того, при дистиляції зберігається смак і запах вихідної сировини.

Спосіб дистиляції має і певні позитивні сторони:

Навіть численні перегонки за дотримання технології дозволяють втрачати трохи більше 20-22% рідини.
Втрати в установках ректифікації значно вищі – можуть досягати 32-35%.
Слід зазначити і простоту технології. Ректифікація вимагає значно складнішого та найдорожчого обладнання.

Подивіться відео, в якому досвідчений самогонник порівнює процеси дистиляції та ректифікації та дає поради щодо вибору апарату для перегонки самогону:

Одержання алкоголю за допомогою процесу ректифікації

Ректифікаційна колона, додана в технологічний ланцюжок самогонного комплексу, дозволяє отримувати етанол із спирту-сирцю – напівфабрикату, який виготовляє перегінний апарат із браги. Гнати брагу через колону нераціонально та нерозумно, оскільки досить швидко станеться засмічення у її нижній частині.

Відомо, що перегінний апарат, оснащений таким пристроєм, пропонує якісний дистилят, тобто. чистий спирт. Процес самогоноваріння в цьому випадку максимально спрощений, і зводиться до пари-трійки дій: завантаження браги, підключення джерела нагрівання та збору дистиляту. Принцип роботи побутових агрегатів заснований на тих самих законах фізики: вода закипає при ста градусах, спирт – вже при 78. Відповідно, процес випаровування спирту в цьому проміжку найінтенсивніший. Після охолодження спиртові пари конденсуються, переходячи з газоподібного стану рідке. Власне, це і є той результат, якого прагне кожен самогонщик.

Контактні пристрої (тарілки та насадки)

Контактні елементи в колоні ректифікації беруть участь у формуванні балансу рідини і пари, а також в концентрації пари.

Кожен такий елемент обмежує певну зону, в якій протікає своєрідний цикл дистиляції – випаровування та подальша конденсація окремої фракції, при цьому часто пара перетинає цей кордон і рухається вгору, залучаючи до свого потоку легколеткі компоненти.

У будь-якій подібній зоні встановлюється певна рівновага.

Довідка! Основний ефект забезпечується за рахунок збільшення площі фазних контактів, що активізує тепловий та масовий обмін.

Основними є такі контактні елементи:

Теоретична тарілка. По суті, це сформована рівноважна зона без установки додаткової деталі. Для одержання добре очищеного алкогольного напою організується від 24 до 32 таких зон.
Фізична тарілка. Це справжня деталь тарілчастої форми, у якій накопичується рідинний шар. Пар вимушено проходь крізь нього, що проявляється численними пухирцями. Цей варіант забезпечує досить велику контактну площу. Для отримання повноцінного чистого спирту в колоні треба встановити до 45-55 фізичних тарілок.
Насадки. Дані контактні елементи переважно призначені для забезпечення процесу конденсації пари. Вони набагато менше, ніж тарілки, чинять опір паровому потоку. У колонах можна використовувати кілька різновидів – кільце, сітка, спіраль. У саморобних апаратах нерідко ставиться “решета” – диск з численними отворами. Одним із найкращих матеріалів для насадок вважається мідь. Можна використовувати мідні метали або алюміній.

Що краще, класичний самогонний апарат чи колона ректифікації?

Щоб зрозуміти переваги ректифікації перед дистиляцією, варто здійснити наочне порівняння цих технологій.

Критерій	Дистиляція	Ректифікація
Смачно-ароматичні якості кінцевого продукту	Смак та запах відповідають сировині браги.	Дуже чистий спирт без смаку та запаху.
Фортеця напою	Залежно від конструкції апарату та кількості перегонок від 40 до 65%.	до 97, у середньому 93-95%.
Ступінь відділення речовин з різною температурою кипіння/випаровування	Низька, навіть речовини, що мають велику різницю в температурі випаровування після конденсації, залишаються разом.	Дуже висока, за потреби можна не тільки відокремити спирт, але й розділити сивушні олії на складові.
Ступінь відокремлення шкідливих речовин від спирту	Від низької до середньої. Поліпшити якість відділення можна лише за рахунок збільшення кількості перегонів.	Висока, вміст сивушних олій та домішок у спирті мінімальний.
Втрата спирту	Велика, у разі вдасться зібрати до 80% товару, що міститься у бразі.	Маленька, втрати практично складають від 1 до 3%, хоча за ідеальних умов їх може бути.
Складність створення та використання агрегату на базі технології	Від низької до середньої, примітивні моделі не мають строгих розмірних критеріїв, потенціал покращення обладнання обмежений. Поводитися з технологією легко і просто.	Висока. Для створення знадобиться спеціалізоване обладнання та суворий перелік матеріалів. Для ефективного використання потрібні теоретичні знання.

Щоб дистиляцією отримати продукт такої ж якості, як при ректифікації, потрібно провести близько 10 послідовних перегонок. При цьому потрібно враховувати, що переганяти спиртовмісний продукт міцніше 20-30% вибухонебезпечно (самогоноварення вибухонебезпечне за умовчанням, але в цьому випадку ризик значно збільшується).

Як досягти кращого результату?

При експлуатації колони ректифікації потрібно дотримуватися певних заходів, що дозволяють домагатися нормального режиму її роботи і отримання якісного кінцевого продукту.

Особливо слід виділити заходи у наступних напрямках.

Виняток «захлинання» установки

Ця «хвороба» пов’язана з уповільненням та припиненням стікання флегми, що призводить до її накопичення в циліндрі та блокування парового потоку. В результаті «захлинання» всередині колони підвищується тиск, з’являється гучне булькання та шум.

Явище може провокуватися такими причинами:

Перевищення допустимої швидкості руху парового потоку, що може викликатись надмірним нагріванням рідини в кубі;
Надмірне наповнення куба вихідною сировиною або засмічення в нижній зоні труби;
Занадто маленький тиск у нижній частині колони, що притаманно високогірних умов;
Підвищення напруги в електромережі живлення, що викликає незаплановане підвищення потужності нагрівального елемента;
Порушення у конструкції чи технології.

Уникнути цього неприємного явища допомагає встановлення автоматичного контролю та регулювання процесу. Особлива увага приділяється нагріванню сировини та наповненню куба.

Своєчасне виведення готового продукту та осідаючих важких фракцій

У першому випадку, методика проста – на початковому етапі (до стабілізації температури і тиску) тільки чверть легколетучих пар конденсується з кінцевим продуктом і виводиться назовні, а далі – відводиться максимальний його обсяг.

Поява осаду з важких фракцій виявляти складніше. Орієнтуватися доводиться на запах і колір рідини на самому низу колони.

Правильна підготовка установки до пуску

Перед початком ректифікації необхідно перевірити стан апарату насамперед герметичність колони. Для перевірки перекривається виведення готового продукту та закачується холодна вода.

Тільки переконавшись у герметичності установки, можна приступати до заливки сировини та нагрівання куба.

Не слід чекати від побутового апарату чудес та заміни ним самогонного апарату. Мінімальна міцність вихідної рідини повинна бути не менше 30%, інакше на виході не вийде продукт, за міцністю близький до чистого спирту.

Важливо! Не слід в куб заливати брагу, яка не пройшла первинну дистиляцію.

При виготовленні установки своїми руками не можна допускати втрати теплової енергії через корпус колони. Особливо важливо захистити нижню частину, тобто. зону до першого дефлегматора.

Як теплоізоляцію рекомендується використовувати:

Ректифікаційні колони дозволяють глибоко очистити рідину або виділити легку фракцію. У промислових умовах вони знаходять застосування у багатьох галузях, зокрема. за їх допомогою забезпечується нафтопереробка, виготовляється якісний спирт.

У домашніх умовах такі установки придатні для отримання дуже міцних, якісних спиртних напоїв із самогону. При правильній експлуатації вони абсолютно безпечні та ефективні.

Як зробити колону ректифікації своїми руками за докладною схемою

Агрегат виконується за простою конструкцією.

Розрахунок та складання ректифікаційної колони своїми руками проводяться таким чином:

Мідна труба з довжиною 130-140 см та діаметром 30-50 мм акуратно і рівно розрізається на дві частини, краї зачищаються. Між двома частинами необхідно створити різьбове або інше з’єднання, але розбірне. Одна частина буде царгою, друга – корпусом дефлегматора.
На трубу, призначену під царгу, на обидва кінці встановлюються сітки та завзяті шайби. Вони утримуватимуть наповнювач усередині.
Губки з нержавіючої сталі нарізаються невеликими фрагментами по 5-15 мм і засипаються в трубу. Стружка, що заповнює трубу, не повинна стискатися, оптимальне заповнення 250-280 г на 1 літр об’єму царги.
Після наповнення сітки та шайби встановлюються на місця.
Царга встановлюється на куб.
Друга труба обладнується вторинним порожнім корпусом, усередині якого циркулюватиме вода. Для цього знадобиться труба з діаметром на 10-20 мм ширша за основну і на 30 мм її коротша, довга труба розміщується всередині більш короткою, знизу і зверху приварюються вирізані під розмір кільця із зовнішнім діаметром, рівним товщині труби (30-50 мм), плюс товщина холодильника (10-20 мм), та внутрішнім, рівним товщині труби. У вторинному корпусі просвердлюється 2 отвори знизу та зверху під подачу води та обгортку та приварюються патрубки.
Зверху дефлегматор обладнується кришкою, у якій просвердлюється отвір для атмосферної трубки.
Під вузол відбору просвердлюється отвір на 15-20 мм вище, ніж з’єднання царги та дефлегматора. Всередині дефлегматора на рівні отвору приварюється кільце для збирання та стікання продукту у вузол відбору. Прохідний отвір кільця залежить від основного діаметра дефлегматора.
Зовнішній-холодильник-виготовляється за традиційною конструкцією своїми руками і підключається за допомогою трубки від крапельниці з регулятором потоку до вузла відбору.
Дефлегматор і холодильник можна підключати до води окремо або одним послідовним підключенням. У такому разі напрямок руху води має бути наступним: від низу холодильника до його верху, потім до низу дефлегматора та через верхній патрубок у каналізацію. Для регулювання потоку води можна встановити регулятор потоку від газозварювальної установки.
Царга та ТЕНовий куб обшиваються теплоізолюючим матеріалом, наприклад пінополіпропіленом.
Термометр повинен встановлюватись у нижній частині колони так, щоб можна було вимірювати температуру всередині царги.

Принцип роботи ректифікаційної колони і як зробити її своїми руками, розрахунок параметрів і креслення

Колона ректифікації (РК) – пристрій для виділення спирту з спиртовмісної рідини, що значно перевершує самогонний апарат за ступенем очищення. Без неї приготувати з органічної сировини по-справжньому якісний алкогольний напій неможливо. У даній статті розглянуті принципи конструювання РК.

Що таке ректифікація спирту

Ректифікація спирту – поділ спиртовмісної суміші на складові з різною температурою кипіння, здійснюване за рахунок тепломассообмена. Останній відбувається як результат прагнення системи врівноважити температуру, тиск і концентрацію кожної складової (спирти, вода, сивушні масла та ін.) В рідкої і газоподібної фазах.

В ході тепломассобмена пар насичується речовинами з низькою температурою кипіння (летючі або низкокипящие), рідина – висококиплячих. Пара піднімається вгору, що дозволяє після досягнення системою рівноваги провести відбір самого летючого компоненту.

Перевага і недоліки методу ректифікації

Ректифікація спирту володіє двома перевагами:

Мізерна вміст домішок в кінцевому продукті. Метод дозволяє з високою точністю відокремити один від одного компоненти, що відрізняються температурою кипіння всього на 0,1 градуса. Концентрація спирту на виході складає 96% – 98%.
Низькі втрати спирту. У відходи потрапляє лише 1% – 3%.

Складність методу. Ректифікація можлива тільки при правильному поєднанні ряду умов, що вимагає від оператора глибокого знання процесу. Колона ректифікації влаштована просто, але все її параметри потрібно точно розрахувати.
Щодо велика висота колони ректифікації.
Відсутність присмаку сировини.

Аромат і смак присутніх в сировині фруктів в ході ректифікації повністю відсікається, що компенсують наступними способами:

готують з отриманого чистого спирту настоянки;
додають до спирту в допустимих кількостях висококиплячі фракції.

Як працює колона

Пристрій колони ректифікації складності не представляє. Вона складається з таких вузлів:

куб: ємність для сировини;
царга (вертикальна труба) з контактними елементами – насадками або тарілками;
дефлегматор: встановлений в верху царги;
вузол відбору з доохладітелем;
нагрівач;
термометри.

Принцип роботи ректифікаційної колони полягає в наступному:

Сировина нагрівається в кубі (заповнюється на 2/3 об’єму) і випаровується.
Заповнив царгу пар остигає в дефлегматоре (сюди подається охолоджуюча рідина) і перетворюється в конденсат – флегму.
Флегма стікає по контактним елементам. Конструкція останніх орієнтована на створення значної площі контакту рідини з парою, що необхідно для інтенсивного тепломасообміну.
При настанні процесу рівноваги, про що свідчить постійна температура, оператор відкриває клапан відбору і знаходиться в верху царги пар надходить в доохладітель. Сюди також подається холодна вода.
Як і в самогонному апараті, першими відокремлюють низкокипящие складові – альдегіди, ефіри, метиловий і етиловий спирти, потім – сивушні масла і інші висококиплячі.

Часто цікавляться, що краще – колона ректифікації або самогонний апарат (дистилятор)? В останньому застосований більш простий метод і зберігається смак сировини, але є ряд істотних недоліків:

Висока концентрація домішок в кінцевому продукті: частка спирту становить всього 40% – 65%. Для отримання 96% -ої концентрації потрібно повторити дистиляцію 9 – 10 разів.
Значних втрат спирту: не менше 20%.

Але заміною самогонному апарату компактна домашня колона ректифікації виступати не може: вона ефективна при концентрації спирту в сировині 35% – 45%, тоді як в брагу його тільки 10%.

Обидва пристрої застосовують послідовно:

отримують з браги за допомогою дистилятора спирт-сирець;
завантажують спирт-сирець і багаті спиртом побічні продукти дистиляції в РК і отримують на виході чистий продукт.

види колон

За типом контактного елемента розрізняють два види РК:

тарілчасті: використовуються тарілки, в основному це промислові установки;
насадкові: застосовуються звиті з дроту насадки – варіант для домашніх і лабораторних РК.

Поряд зі звичайними РК випускаються комбіновані пристрої повного циклу – самогонні апарати з ректифікаційної колоною.

Як зробити в домашніх умовах

В процесі виготовлення ректифікаційної колони своїми руками найбільш складний етап – розрахунок. Розглянемо всі складові і їх параметри.

царга

Виготовляється зі сталевої труби з параметрами:

матеріал: харчова нержавіюча сталь (12Х18Н10Т);
внутрішній діаметр: D = 28 – 60 мм;
висота (царга розміщена вертикально): H = 1200 – 1500 мм;
товщина стінки: 1,0 – 1,5 мм.

Чим вище царга, тим чистіше спирт на виході.

нагрівач

Для ректифікації потрібно тонка настройка температури, тому потрібен нагрівач:

Цим вимогам задовольняють лише Тени, підключені через реле зі стабілізацією напруги на виході. Газова плита не підходить.

Для досить швидкого нагріву сировини на кожні 10 л потрібно потужність в 1 кВт. Після розігріву виходять на номінальну потужність. Вона приблизно дорівнює площі поперечного перерізу царги в мм (просвіту). Більш точні значення для різних співвідношень D / H:

52/1000: 1950 Вт;
50,8 / 1500: 1790 Вт;
42/1500 1190 Вт;
40/1000: 1133 Вт;
32/1500: 660 Вт;
28/1500: 490 Вт.

насадка

Найбільш ефективна спірально-призматична насадка (СПН). Варто дорого, але доступна для самостійного виготовлення. Оптимальний розмір – (0,067 – 0,083) D. Для різних D він складе:

Допускається використовувати замість СПН дротяну мочалку для миття посуду.

куб

Виготовляється з бідона, скороварки або вариться із сталевих листів. Заповнений на 2/3 куб повинен містити сировину в кількості 10 – 20 обсягів насадки. Тобто при H = 1.5 м обсяг куба для різних D становить:

Дефлегматор і доохладітель

Виготовлені своїми руками ректифікаційні колони оснащують дефлегматорами двох видів:

холодильник Дімрота: питома утилізаційна потужність (УУМ) становить 4 – 5 Вт / кв. см поверхні;
холодильник з сорочкою: УУМ – 2 Вт / кв. см.

Площа дефлегматора розраховують шляхом ділення номінальної потужності колони на УУМ застосовуваного холодильника. Для колон з відбором по пару вище дефлегматора отриману величину множать на 2/3.

Доохладітель конструктивно схожий з дефлегматором і має ті ж розміри.

розрахунок

Розрахунок ректифікаційної колони відрізняється складністю і вимагає знання характеристик застосовуваних матеріалів. Навіть незначні помилки можуть всю роботу зробити марною: фракції будуть частково змішуватися, і отримати на виході чистий продукт не вдасться. Правильніше при виготовленні використовувати готові креслення колони ректифікації, що довела свою придатність на практиці, або придбати апарат заводського виготовлення.

Знайшли помилку? Виділіть її та натисніть Shift + Enter або Натисніть тут

Як очистити колону ректифікації