Ректификационная колонна и получение спирта в домашних условиях. Что такое ректификованный спирт? Экспресс-курс ректификации Ректификационная колонна принцип

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.

Цель статьи – разобрать теоретические и некоторые практические аспекты работы домашней ректификационной колонны, нацеленной на получение этилового спирта, а также развеять самые распространенные в Интернете мифы и разъяснить моменты, о которых «умалчивают» продавцы оборудования.

Ректификация спирта – разделение многокомпонентной спиртосодержащей смеси на чистые фракции (этиловый и метиловый спирты, воду, сивушные масла, альдегиды и другие), имеющие разную температуру кипения, путем многократного испарения жидкости и конденсации пара на контактных устройствах (тарелках или насадках) в специальных противоточных башенных аппаратах.

С физической точки зрения ректификация возможна, поскольку изначально концентрация отдельных компонентов смеси в паровой и жидкой фазах отличается, но система стремится к равновесию – одинаковому давлению, температуре и концентрации всех веществ в каждой фазе. При контакте с жидкостью пар обогащается легколетучими (низкокипящими) компонентами, в свою очередь, жидкость – труднолетучими (высококипящими). Одновременно с обогащением происходит обмен теплом.

Принципиальная схема

Момент контакта (взаимодействия потоков) пара и жидкости называется процессом тепломассообмена.

Благодаря разной направленности движений (пар поднимается вверх, а жидкость стекает вниз), после достижения системой равновесия в верхней части ректификационной колонны можно по отдельности отобрать практически чистые компоненты, входившие в состав смеси. Сначала выходят вещества с более низкой температурой кипения (альдегиды, эфиры и спирты), потом – с высокой (сивушные масла).

Состояние равновесия. Появляется на самой границе разделения фаз. Достигается только при одновременном соблюдении двух условий:

Равное давление каждого отдельно взятого компонента смеси.
Температура и концентрация веществ в обеих фазах (паровой и жидкой) одинакова.

Чем чаще система приходит в равновесие, тем эффективнее тепломасообмен и разделение смеси на отдельные составляющие.

Разница между дистилляцией и ректификацией

Как видно на графике, из 10% спиртового раствора (браги) можно получить самогон 40%, а при второй перегонке этой смеси выйдет 60-градусный дистиллят, при третьей – 70%. Возможны следующие интервалы: 10-40; 40-60; 60-70; 70-75 и так далее до максимума – 96%.

Теоретически, чтобы получить чистый спирт, требуется 9-10 последовательных дистилляций на самогонном аппарате. На практике перегонять спиртосодержащие жидкости концентрацией выше 20-30% взрывоопасно, к тому же из-за больших затрат энергии и времени экономически невыгодно.

С этой точки зрения, ректификация спирта – это минимум 9-10 одновременных, ступенчатых дистилляций, которые происходят на разных контактных элементах колонны (насадках или тарелках) по всей высоте.

Отличие	Дистилляция	Ректификация
Органолептика напитка	Сохраняет аромат и вкус исходного сырья.	Получается чистый спирт без запаха и вкуса (проблема имеет решение).
Крепость на выходе	Зависит от количества перегонок и конструкции аппарата (обычно 40-65%).	До 96%.
Степень разделения на фракции	Низкая, вещества даже с разной температурой кипения перемешиваются, исправить это невозможно.	Высокая, можно выделить чистые вещества (только с разной температурой кипения).
Способность убрать вредные вещества	Низкая или средняя. Для повышения качества требуется минимум две перегонки с разделением на фракции хотя бы при одной из них.	Высокая, при правильном подходе отсекаются все вредные вещества.
Потери спирта	Высокие. Даже при правильном подходе можно извлечь до 80% от всего количества, сохранив приемлемое качество.	Низкие. Теоретически, реально извлечь весь этиловый спирт без потери качества. На практике минимум 1-3% потерь.
Сложность технологии для реализации в домашних условиях	Низкая и средняя. Подходит даже самый примитивный аппарат со змеевиком. Возможны улучшения оборудования. Технология перегонки проста и понятна. Самогонный аппарат обычно не занимает много места в рабочем состоянии.	Высокая. Требуется специальное оборудование, изготовить которое без знаний и опыта невозможно. Процесс сложнее для понимания, нужна предварительная хотя бы теоретическая подготовка. Колонна занимает больше места (особенно по высоте).
Опасность (в сравнении друг с другом), оба процесса пожаро- и взрывоопасны.	Благодаря простоте самогонного аппарата дистилляция несколько безопаснее (субъективное мнение автора статьи).	Из-за сложного оборудования, при работе с которым существует риск допустить больше ошибок, ректификация опаснее.

Работа ректификационной колонны

Ректификационная колонна – устройство, предназначенное для разделения многокомпонентной жидкой смеси на отдельные фракции по температуре кипения. Представляет собой цилиндр постоянного или переменного сечения, внутри которого находятся контактные элементы – тарелки или насадки.

Также почти каждая колонна имеет вспомогательные узлы для подвода исходной смеси (спирта-сырца), контроля процесса ректификации (термометры, автоматика) и отбора дистиллята – модуль, в котором конденсируется, а затем принимается наружу извлеченный из системы пар определенного вещества.

Одна из самых распространенных домашних конструкции

Спирт-сырец – продукт перегонки браги методом классической дистилляции, который можно «заливать» в ректификационную колонну. Фактически это самогон крепостью 35-45 градусов.

Флегма – сконденсировавшийся в дефлегматоре пар, стекающий по стенкам колонны вниз.

Флегмовое число – отношение количества флегмы к массе отбираемого дистиллята. В спиртовой ректификационной колонне находятся три потока: пар, флегма и дистиллят (конечная цель). В начале процесса дистиллят не отбирают, чтобы в колонне появилась достаточно флегмы для тепломассообмена. Потом часть паров спирта конденсируют и отбирают из колонны, а оставшиеся спиртовые пары и дальше создают поток флегмы, обеспечивая нормальную работу.

Для работы большинства установок флегмовое число должно быть не меньше 3, то есть 25% дистиллята отбирают, остальной – нужен в колонне для орошения контактных элементов. Общее правило: чем медленнее отбирать спирт, тем выше качество.

Контактные устройства ректификационной колонны (тарелки и насадки)

Отвечают за многократное и одновременное разделение смеси на жидкость и пар с последующей конденсацией пара в жидкость – достижение в колонне состояния равновесия. При прочих равных условиях, чем больше в конструкции контактных устройств, тем эффективнее ректификация в плане очистки спирта, поскольку увеличивается поверхность взаимодействия фаз, что интенсифицирует весь тепломасообмен.

Теоретическая тарелка – один цикл выхода из равновесного состояния с повторным его достижением. Для получения качественного спирта требуется минимум 25-30 теоретических тарелок.

Физическая тарелка – реально работающее устройство. Пар проходит сквозь слой жидкости в тарелке в виде множества пузырьков, создающих обширную поверхность контакта. В классической конструкции физическая тарелка обеспечивает примерно половину условий для достижения одного равновесного состояния. Следовательно, для нормальной работы ректификационной колонны требуется в два раза больше физических тарелок, чем теоретических (расчетных) минимум – 50-60 штук.

Насадки. Зачастую тарелки ставят только на промышленные установки. В лабораторных и домашних ректификационных колоннах в качестве контактных элементов используются насадки – скрученная специальным образом медная (либо стальная) проволока или сетки для мытья посуды. В этом случае флегма стекает тонкой струйкой по всей поверхности насадки, обеспечивая максимальную площадь контакта с паром.

Насадки из мочалок самые практичные

Конструкций очень много. Недостаток самодельных проволочных насадок – возможная порча материала (почернение, ржавчина), заводские аналоги лишены подобных проблем.

Свойства ректификационной колонны

Материал и размеры. Цилиндр колонны, насадки, куб и дистилляторы обязательно делают из пищевого, нержавеющего, безопасного при нагревании (равномерно расширяется) сплава. В самодельных конструкциях в качестве куба чаще всего используются бидоны и скороварки.

Минимальная длина трубы домашней ректификационной колонны – 120-150 см, диаметр – 30-40 мм.

Система нагрева. В процессе ректификации очень важно контролировать и быстро регулировать мощность нагрева. Поэтому самым удачным решением является нагрев с помощью ТЭНов, вмонтированных в нижнюю часть куба. Подвод тепла через газовую плиту не рекомендуется, поскольку не позволяет быстро менять температурный диапазон (высокая инертность системы).

Контроль процесса. Во время ректификации важно следовать инструкции производителя колонны, в которой обязательно указываются особенности эксплуатации, мощность нагрева, флегмовое число и производительность модели.

Термометр позволяет точно контролировать процесс отбора фракций

Очень сложно контролировать процесс ректификации без двух простейших приспособлений – термометра (помогает определить правильную степень нагрева) и спиртометра (измеряет крепость полученного спирта).

Производительность. Не зависит от размеров колонны, поскольку, чем выше царга (труба), тем больше физических тарелок находится внутри, следовательно, качественнее очистка. На производительность влияет мощность нагрева, которая определяет скорость движения потоков пара и флегмы. Но при переизбытке подаваемой мощности колонна захлебывается (перестает работать).

Средние значения производительности домашних ректификационных колон – 1 литр в час при мощности нагрева 1 кВт.

Влияние давления. Температура кипения жидкостей зависит от давления. Для успешной ректификации спирта давление вверху колонны должно быть приближено к атмосферному – 720-780 мм.рт.ст. В противном случае при уменьшении давления снизится плотность паров и увеличится скорость испарения, что может стать причиной захлебывания колонны. При слишком высоком давлении падает скорость испарения, делая работу устройства неэффективной (нет разделения смеси на фракции). Для поддержания правильного давления каждая колонна для ректификации спирта оборудована трубкой связи с атмосферой.

О возможности самодельной сборки. Теоретически, ректификационная колонна не является очень сложным устройством. Конструкции успешно реализуются умельцами в домашних условиях.

Но на практике без понимания физических основ процесса ректификации, правильных расчетов параметров оборудования, подбора материалов и качественной сборки узлов, использование самодельной ректификационной колоны превращается опасное занятие. Даже одна ошибка может привести к пожару, взрыву или ожогам.

В плане безопасности прошедшие испытания (имеют подтверждающую документацию) заводские колонны надежнее, к тому же поставляются с инструкцией (должна быть подробной). Риск возникновения критической ситуации сводится только к двум факторам – правильной сборке и эксплуатации согласно инструкции, но это проблема почти всех бытовых приборов, а не только колонн или самогонных аппаратов.

Принцип работы ректификационной колонны

Куб наполняют максимум на 2/3 объема. Перед включением установки обязательно проверяют герметичность соединений и сборки, перекрывают узел отбора дистиллята и подают охлаждающую воду. Только после этого можно начать нагрев куба.

Оптимальная крепость подаваемой в колонну спиртосодержащей смеси – 35-45%. То есть в любом случае перед ректификацией требуется дистилляция браги. Полученный продукт (спирт-сырец) потом перерабатывают на колонне, получая почти чистый спирт.

Это значит, что домашняя ректификационная колонна не является полной заменой классического самогонного аппарата (дистиллятора) и может рассматриваться лишь как дополнительная ступень очистки, более качественно заменяющая повторную дистилляцию (вторую перегонку), но нивелирующая органолептические свойства напитка.

Справедливости ради отмечу, что большинство современных моделей ректификационных колон предполагают работу в режиме самогонного аппарата. Для перехода к дистилляции нужно лишь перекрыть штуцер соединения с атмосферой и открыть узел отбора дистиллята.

Если одновременно перекрыть оба штуцера, то нагретая колонна может взорваться из-за избыточного давления! Не допускайте подобных ошибок!

На промышленных установках непрерывного действия зачастую брагу перегоняют сразу, но это возможно благодаря гигантским размерам и особенностям конструкции. Например, стандартом считается труба 80 метров высоты и 6 метров диаметра, в которой установлено в разы больше контактных элементов, чем на ректификационных колоннах для дома.

Размер имеет значение. Возможности спиртзаводов в плане очистки куба больше, чем при домашней ректификации

После включения жидкость в кубе доводится нагревателем до кипения. Образовавшийся пар поднимается вверх по колонне, затем попадает в дефлегматор, где конденсируется (появляется флегма) и по стенкам трубы возвращается в жидком виде в нижнюю часть колонны, на обратном пути контактируя с поднимающимся паром на тарелках или насадках. Под действием нагревателя флегма снова становится паром, а пар вверху опять конденсируется дефлегматором. Процесс становится циклическим, оба потока непрерывно контактируют друг с другом.

После стабилизации (пара и флегмы достаточно для равновесного состояния) в верхней части колонны скапливаются чистые (разделенные) фракции с самой низкой температурой кипения (метиловый спирт, уксусный альдегид, эфиры, этиловый спирт), внизу – с самой высокой (сивушные масла). По мере отбора нижние фракции постепенно поднимаются вверх по колонне.

В большинстве случаев стабильной (можно начинать отбор) считается колонна, в которой температура не меняется на протяжении 10 минут (общее время прогрева – 20-60 минут). До этого момента устройство работает «само на себя», создавая потоки пара и флегмы, которые стремятся к равновесию. После стабилизации начинается отбор головной фракции, содержащей вредные вещества: эфиры, альдегиды и метиловый спирт.

Ректификационная колонна не избавляет от необходимости разделять выход на фракции. Как и в случае с обычным самогонным аппаратом приходится собирать «голову», «тело» и «хвост». Разница только в чистоте выхода. При ректификации фракции не «смазываются» – вещества с близкой, но хотя бы на десятую долю градуса разной температурой кипения не пересекаются, поэтому при отборе «тела» получается почти чистый спирт. Во время обычной дистилляции разделить выход на фракции, состоящие только из одного вещества, невозможно физически какая бы конструкция не использовалась.

Если колонна выведена на оптимальный режим работы, то при отборе «тела» трудностей не возникает, так как температура всё время стабильна.

Нижние фракции («хвосты») при ректификации отбирают, ориентируясь по температуре или по запаху, но в отличие от дистилляции эти вещества не содержат спирта.

Возвращение спирту органолептических свойств. Зачастую «хвосты» требуются, чтобы вернуть спирту-ректификату «душу» – аромат и вкус исходного сырья, например, яблока или винограда. После завершения процесса в чистый спирт добавляют некоторое количество собранных хвостовых фракций. Концентрацию рассчитывают эмпирическим путем, экспериментируя на небольшом количестве продукта.

Преимущество ректификации в возможности добыть практически весь содержащийся в жидкости спирт без потери его качества. Это значит, что «головы» и «хвосты», полученные на самогонном аппарате, можно переработать на ректификационной колонне и получить безопасный для здоровья этиловый спирт.

Захлебывание ректификационной колонны

Каждая конструкция имеет предельную скорость движения пара, после которой течение флегмы в кубе сначала замедляется, а потом и вовсе прекращается. Жидкость накапливается в ректификационной части колонны и происходит «захлебывание» – прекращение тепломассообменного процесса. Внутри происходит резкий перепад давления, появляется посторонний шум или бульканье.

Причины захлебывания ректификационной колонны:

превышение допустимой мощности нагрева (встречается наиболее часто);
засорение нижней части устройства и переполнение куба;
очень низкое атмосферное давление (характерно для высокогорий);
напряжение в сети выше 220В – в результате мощность ТЭНов возрастает;
конструктивные ошибки и неисправности.

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.

Для домашнего производства крепких напитков необходима современная аппаратура, сделанная из качественного материала. В магазинах производители предлагают модели, которые делятся на дистилляторы и ректификаторы. Многих начинающих винокуров мучает вопрос: что лучше для домашнего самогоноварения - колонна или самогонный аппарат.

Принцип действия мало чем отличается, а вот конечный продукт у ректификационной колонны получается лучше и чище, а по крепости ему нет равных, т. к. это практически чистый спирт. Чтобы узнать, чем же отличаются эти аппараты, какие у них технические параметры, индивидуальные нюансы, имеются ли недостатки, надо прочитать эту статью.

Вся процедура перегонки состоит в теплообмене, который происходит в изделии, в процессе охлаждения сырец отделяется, а очищенная субстанция появляется на выходе из устройства. При разной температуре нагрева вы получаете разные вещества:

t=+56 C - получим ацетон;
t=+65 C - можно выделить метиловый спирт;
и только при t=+78 C получается спирт-ректификат;
если продолжать нагревание до температуры кипения воды и выше, например, до 100 градусов, то на выходе получим воду, приправленную сивушными маслами и всякими примесями.

Основа всего происходящего в колонне процесса - контакт жидкого и парообразного состояния различных веществ, в результате чего выделяются различные пары, которые оседают в дефлегматоре, и только спиртосодержащие проходят дальше.

В испарителе происходит дополнительный нагрев, но только до +78 градусов, поэтому все вредные примеси и вода конденсируются и остаются в устройстве. На разных участках изделия происходит индивидуальное взаимодействие паров и конденсата, а фракции различного температурного уровня выпадают в конденсат и стекают в нижнюю часть.

Колонна - это устройство, имеющее определенную высоту, с вытянутой по всей длине емкостью, поэтому получается различная температура: до самого верха доходят только спиртосодержащие пары, все остальные фракции выпадают в конденсат, т. к. температура меньше, чем нужно для их кипения. Вкус и крепость конечного продукта существенно отличается в лучшую сторону от самогона, пропущенного через стандартный дистиллятор.

Современные модели колонн отличаются весьма высокой производительностью, а спирт, появляющийся в результате ректификации, не имеет сивушного запаха и посторонних примесей.

Чем отличается самогонный аппарат от ректификационной колонны

Самое главное отличие: стандартный аппарат для домашнего самогоноварения состоит из перегонного куба и змеевика-холодильника, где происходит конденсация спиртосодержащих паров. В некоторых моделях присутствует сухопарник, где происходит качественное отделение примесей и ароматизация паров для получения элитного алкоголя в виде бренди или виски.

Колонна же - довольно сложное устройство, она в основном предназначена для очистки уже полученного самогона, чтобы устранить все мельчайшие посторонние вкрапления и получить чистый спирт. Конструкция выполняется из нержавеющей стали, меди или латуни, т. к. внутри происходят весьма сложные высокотемпературные процессы и стойкость к коррозии должна быть довольно высокой.
Нижняя часть колонны называется царгой, а верхняя - охладителем или дефлегматор, потому что именно там происходит окончательное отделение различных флегм. В его крышке имеется трубка для связи с окружающей средой, чтобы внутреннее давление не превысило допустимого значения. Все нюансы работы мы уже обсуждали, поэтому опускаем.

Изделие устанавливается на перегонный бак или куб, а все соединения должны быть идеально герметичны. В самой верхней части находится отводная трубка для паров спирта, лучший вариант, когда и она имеет дополнительный холодильник. Высота изделия приличная, некоторые образцы до 2 м, поэтому такая конструкция может не поместиться в помещении: 2м + бак + плита. Лучший вариант — нагревать бак на специальной плите для самогоноварения: она имеет малые габариты, как настольная электроплита.

Брагу перегонять через колонну не рекомендуют, хотя сегодня производители уже освоили выпуск усовершенствованных образцов, которые справляются и с таким применением. Вердикт прост: самогонные аппараты предназначены для перегонки спирта-сырца, а колонна может очистить его практически полностью от запаха и вредных примесей.

Помните! Ректификационную колонну используют для получения чистого спирта, а если вы хотите делать ракию, бренди, где нужен аромат и специфический привкус исходного продукта, то используйте только самогонный аппарат.

Типы самогонных аппаратов и ректификационных колонн

Всего в мире существуют два основных типа устройств для практического самогоноварения:

Спиртосодержащие пары отводятся в сторону для охлаждения - сразу в змеевик или через сухопарник.
Пары отводятся вверх в ректификационное устройство, где происходит отделение примесей, полная очистка от запахов и последующее охлаждение.

Классические устройства подразделяют по системе охлаждения: при помощи змеевика или прямоточные, где охлаждающим элементом является корпус холодильника.

Колонны делят по количеству получаемого конечного продукта:

простые, обеспечивающие разделение исходного сырья на два конечных продукта - ректификат и осадок;
сложные - они обеспечивают разделение более, чем на два продукта, колонны с отбором дополнительных фракций в виде боковых погонов и из специальных отпарных стриппингов.

Существует также разделение по назначению, величине давления, принципу действия или организации контакта внутри конструкции.

Кроме этого, колонны делятся на полные и неполные. Неполные изделия делятся еще на два вида:

Бражная или отгонная колонна, которая действует по такому принципу: на верхнюю тарелку попадает спиртосодержащий пар, а из куба выходит чистая вода. Конденсат выпадает в холодильнике, а дефлегматор не устанавливается.
В спиртовых колоннах все происходит зеркально: под нижнюю тарелку подается пар. Из верхней части отводится спирт, а снизу - остаток с водой, дефлегматор выполняет функцию питания жидкой средой. Такие колонны устанавливаются на аламбики.

Первые не предназначены для получения чистого спирта, а второй вариант не применяется для получения чистой воды.

Характеристики обоих устройств

Всем известно, что основное назначение самогонного аппарата - это получение спиртосодержащей жидкости из браги путем ее перегонки и последующей очистки. Основными техническими параметрами являются:

Объем

Именно он влияет на масштаб производства в домашних условиях, поэтому выбор изделия основан на этом параметре: чем больше браги, тем больше литров спирта-сырца, который очищают различными методами или осуществляют повторную перегонку.

Материал

В основном все детали современных моделей выполнены из пищевой или медицинской нержавеющей стали. В производстве используются такие марки:

AISI 304 благодаря довольно высоким очищающим свойствам применяется в медицине, на молочных фермах и аналогичных заводах;
сталь марки 430 имеет низкое качество, но зато изделия из нее можно нагревать на индукционных плитах;
сплавы с медью и комбинации сталей разных марок встречаются у многих моделей самогонных аппаратов отечественного и зарубежного производства.

В самодельных устройствах пока еще используется алюминий, но он уже практически вытесняется более надежными материалами. Змеевики изготавливают из меди или латуни, только элитные аппараты под названием аламбики, которые применяются для производства домашнего элитного алкоголя, выполнены полностью из меди.

Дополнительные устройства

К ним относятся термометр, спиртометр, сухопарник, дефлегматор и другие, помогающие контролировать процесс перегонки. Повторное очищение дает хороший результат, но его не проводят в том случае, когда надо получить ароматный напиток с запахом.

Технические характеристики универсальных ректификационных колонн для наглядности лучше представить в виде небольшой таблицы:

Все уплотнительные соединения в колонне выполнены из высокотемпературного пищевого силикона с гарантийным сроком эксплуатации не менее 10-20 лет, температура допускается до +150°С.

Преимущества и недостатки

Стандартный аппарат для производства самогона имеет следующие плюсы:

Простейшая конструкция, принцип действия понятен всем пользователям, можно изготовить самостоятельно без больших финансовых затрат.
Большое количество рецептов, которое идет в комплекте с готовой моделью, но можно значительно расширить их, изучив рецептуру в интернете.
Высокая надежность конструкции и всех материалов.
Низкая стоимость, которая особенно влияет на широкую доступность для всех слоев населения.

Ректификационные колонны имеют свои преимущества:

Получение чистого продукта без запаха и посторонних примесей.
Крепость конечного продукта намного выше, чем у простого аппарата.
Применяется для выделения спиртосодержащей жидкости из браги на основе сахара, т. к. именно там много посторонних примесей и запаха.

В сравнении классический аппарат имеет больше негативных особенностей:

невысокая производительность;
низкий процент содержания спирта - не более 70%;
малая степень очистки при первичной перегонке;
опасность при несоблюдении мер безопасности.

У ректификационных колонн только один недостаток - большая высота конструкции.

Что лучше выбрать

Если сравнивать конструкцию классического изделия для самогоноварения и ректификационную колонну, то разница ощутимая, да и используют их для разных целей. Поэтому ваш выбор будет напрямую зависеть от целей, а также от того, что вы собираетесь перегонять:

Для винной браги, а также на основе ягод и фруктов лучше использовать самогонный аппарат.
Для браги из сахара лучше применять колонну, т. к. конечный продукт получается чистый и без запаха.

Сегодня в продаже имеются модели универсальных изделий, которые могут работать в качестве простого дистиллятора или как мощная ректификационная колонна.

Особым спросом у опытных винокуров пользуются устройства, сделанные немецкими производителями, имеющими дополнительную царгу, которая вкручивается в дистиллятор. Например, колонна и аппарат имеют одинаковую производительность 2 л/ч, но вот продукт получается довольно разный:

плотность или крепость у классического изделия всего 60%, а у колонны - 96%;
уровень очистки у дистиллятора в 60 раз ниже, чем у колонны.

Самогонные аппараты практичнее из-за своих габаритов, а колонны намного выше - самая компактная будет около метра в высоту.

Если сравнивать производительность разных изделий, то классика выдает 2 л в час спирта-сырца, а колонна - 2 л чистого спирта 96,6% или в пересчете на 60% самогон - 6-7 л. Поэтому при покупке надо определиться, что для вас важнее - чистота конечного продукта или простое использование изделия в любом месте. Финансовые возможности также играют важную роль.

Выводы

Если говорить о чистоте конечного продукта, то ректификационные колонны на голову выше простого самогонного аппарата, но большое значение имеет финансовая сторона. Каждый пользователь выбирает для себя необходимую модель, мы же бесстрастно констатируем, что классика жанра все-таки проигрывает техническому прогрессу в лице более продуктивной ректификационной колонны по основным техническим показателям.

Устройство ректификационной колонны достаточно сложное, и смоделировать его в домашних условиях вряд ли удастся. Но на специализированных интернет-сайтах можно по вполне приемлемой цене купить рабочую установку, которая потребует только незначительного переоборудования вашего самогонного аппарата.

Переоборудование будет касаться только бака испарителя - необходимо установить фланец подходящего диаметра, чтобы можно было закрепить колонну строго вертикально. Если на баке не было термометра, то придется его установить. Без измерения температуры на испарителе контролировать работу колонны чрезвычайно сложно, да, в принципе, и невозможно вообще.

Как работает колонна

Колонна представляет собой тепломассообменник в котором происходят сложные физико-химические процессы. Базируются они на разнице температур кипения различных жидкостей и скрытой теплоемкости фазовых переходов. Это очень загадочно звучит, но на практике выглядит несколько проще.

Теория очень проста - пар, содержащий спирт и различные примеси, которые кипят при разных температурах, отличающихся на несколько градусов, поднимается вверх и конденсируется в верхней части колонны. Образовавшаяся жидкость стекает вниз, и встречают по пути новую порцию горячего пара. Те жидкости, температура кипения которых выше, повторно испаряются. А те, которым не хватило тепловой энергии, остаются в жидком состоянии.

Ректификационная колонна постоянно пребывает в состоянии динамического равновесия пара и жидкости, во многих случаях трудно разделить жидкую и газообразную фазы - все бурлит и кипит. Но по плотности, в зависимости от высоты, все вещества разделены очень четко - вверху легкие, затем более тяжелые и в самом низу - сивушные масла, остальные примеси с высокой температурой кипения, вода. Разделение по фракциям производится очень быстро, и такое состояние поддерживается практически бесконечно долго, при соблюдении температурного режима в колонне.

На высоте, соответствующей максимальному содержанию спиртовых паров, устанавливается заборный патрубок, сквозь который выделяется пар и поступает в конденсатор (холодильник), откуда спирт стекает в сборную емкость. Ректификационная колонна для самогонного аппарата работает очень медленно - отбор, как правило, производится капельно, но при этом обеспечивается высокий уровень очистки.

Колонна работает при атмосферном давлении, или чуть выше его. Для этого в верхней точке устанавливается атмосферный клапан или просто открытая трубка - не успевшие конденсироваться пары покидают колонну. Как правило - спирта в них практически нет.

Состояния парожидкостных компонентов на разных высотах колонны

На графике изображены фиксированные состояния парожидкостных компонентов на разных высотах колонны которые можно контролировать за температурой в данной точке. Горизонтальная часть графика соответствует максимальной концентрации вещества. Разделение не имеет четких границ - вертикальная линия соответствует смеси нижней и верхней фракций. Как видно, объем пограничных зон намного меньше фракционных, что дает определенный люфт температурного режима.

Устройство ректификационной колонны

Базой для колонны служит вертикальная труба из нержавеющей стали или меди. Другие металлы, особенно алюминий, для этой цели не подходят. Труба изолируется извне материалом низкой теплопроводности - утечка энергии может нарушить установившийся баланс и снизить эффективность теплообменных процессов.

В верхней части колонны монтируется предварительный холодильник дефлегматора. Как правило, он представляет собой встроенный или внешний змеевик, охлаждающий приблизительно 1/8-1/10 часть колонны по высоте. Найти в интернете можно и ректификационные колонны с водяной рубашкой или сложными шаровыми холодильниками. Кроме цены, они ни на что больше не влияют. Классический змеевик отлично справляется со своими задачами.

Колонна «Малютка»

Отношение количества отобранного конденсата к общему числу возвращающейся в бак флегмы называется флегмовым числом. Это характеристика отдельной модели колонны и описывает ее рабочие возможности.

Чем меньше флегмовое число, тем колонна производительнее. При Ф=1 колонна работает как обычный самогонный аппарат.

Промышленные установки обладают высокой разделительной фракционной способностью, поэтому их число равно 1,1-1,4. Для бытовой самогонной колонны оптимальным является Ф= 3-5.

Виды колонн

Ректификационная колонна для самогонного аппарата для увеличения точек соприкосновения пара и жидкости, где происходят теплообменные и диффузионные процессы, снабжается наполнителями, значительно увеличивающими площадь контакта. По типу внутренней конструкции колонны подразделяются на тарельчатые и насадочные. Классификация по производительности или высоте не показывает реальных возможностей.

Для увеличения площади контакта внутрь колонны помещается свитая в спираль мелкая сетка из нержавейки, насыпные мелкие шары, кольца Рашига, мелкие спиральки из проволоки. Они плотно укладываются или засыпаются на высоту до ¾ длины колонны, не достигая точки забора спирта.

Термометр должен находиться в свободной от насадок зоне, и показывать реальную температуру среды. Термометр выбирается электронный, как обладающий наименьшей инертностью. В некоторых моделях колонн роль играют десятые доли градуса. Для получения чистого спирта в зоне отбора температура должна поддерживаться в пределах 72,5-77 С.

Тарельчатая ректификационная колонна намного сложнее в изготовлении - конструкция колпачковых или ситчатых тарелок, представляющих собой горизонтальные перегородки внутри, сквозь которые жидкость протекает с некоторой задержкой. На каждой из тарелок создается зона барботирования, повышающая степень извлечения спиртовых паров из флегмы. Иногда ректификационные колонны называют укрепляющими - на них достигается почти стопроцентный выход спирта при минимуме посторонних добавок.

Работает колонна при атмосферном давлении, для связи с внешней средой колонна оборудуется специальным клапаном или открытой трубкой в верхней части конструкции. Этот факт определяет одну из особенностей ректификационной колонны для самогонного аппарата - при разном атмосферном давлении она работает по-разному. Температурный режим изменяется в пределах нескольких градусов (разница на термометре бака и колонны). Соотношение устанавливается экспериментально. По этой причине с колонной ТЭН.

Купив рабочую ректификационную колонну, или построив ее своими руками, вы сможете получить спирт высокой очистки без особых сложностей. Особенно эффективна колонна при перегонке самогона, полученного из обычного дистиллятора.