Курсовая работа: расчет ректификационной колонны

Что лучше, классический самогонный аппарат или ректификационная колонна?

Чтобы понять преимущества ректификации перед дистилляцией, стоит провести наглядное сравнение этих технологий.

Чтобы посредством дистилляции получить продукт такого же качества, как при ректификации, нужно провести около 10 последовательных перегонок. При этом нужно учитывать, что перегонять спиртосодержащий продукт крепче 20-30% взрывоопасно (самогоноварение взрывоопасно по умолчанию, но в этом случае риск значительно увеличивается).

Как работает колонна

Устройство ректификационной колонны сложности не представляет. Она состоит из таких узлов:

• куб: емкость для сырья;
• царга (вертикальная труба) с контактными элементами — насадками или тарелками;
• дефлегматор: установлен в верху царги;
• узел отбора с доохладителем;
• нагреватель;
• термометры.

Принцип работы ректификационной колонны состоит в следующем:

1. Сырье нагревается в кубе (заполняется на 2/3 объема) и испаряется.
2. Заполнивший царгу пар остывает в дефлегматоре (сюда подается охлаждающая жидкость) и превращается в конденсат — флегму.
3. Флегма стекает по контактным элементам. Конструкция последних ориентирована на создание значительной площади контакта жидкости с паром, что необходимо для интенсивного тепломассообмена.
4. При наступлении процесса равновесия, о чем свидетельствует постоянная температура, оператор открывает клапан отбора и находящийся в верху царги пар поступает в доохладитель. Сюда также подается холодная вода.
5. Как и в самогонном аппарате, первыми отделяют низкокипящие составляющие — альдегиды, эфиры, метиловый и этиловый спирты, затем — сивушные масла и другие высококипящие.

Часто интересуются, что лучше — ректификационная колонна или самогонный аппарат (дистиллятор)? В последнем применен более простой метод и сохраняется вкус сырья, но имеется ряд важных недостатков:

1. Высокая концентрация примесей в конечном продукте: доля спирта составляет всего 40% — 65%. Для получения 96%-ой концентрации требуется повторить дистилляцию 9 – 10 раз.
2. Значительные потери спирта: не менее 20%.

Но заменой самогонному аппарату компактная домашняя ректификационная колонна выступать не может: она эффективна при концентрации спирта в сырье 35% — 45%, тогда как в браге его только 10%.

Оба устройства применяют последовательно:

• получают из браги при помощи дистиллятора спирт-сырец;
• загружают спирт-сырец и богатые спиртом побочные продукты дистилляции в РК и получают на выходе чистый продукт.

Практика установки разных узлов отбора на колонны

Колонны с жидкостным отбором (LM)

В домашних колоннах отбор по жидкости получил самое широкое распространение. Причина проста – процесс ректификации 40 литров самогона затягивается на 18-20 часов. Можно уменьшить навалку вдвое, но тогда резко вырастает доля оборотного (технического) спирта, который придется перерабатывать при каждой ректификации.

Если говорить о производительности системы как о количестве товарного спирта, полученного за общее время ректификации (включая нагрев), то при уменьшении объема навалки в 2 раза, эффективность снижается примерно в 1,5 раза.

Другой путь минимизации объема получаемого технического спирта при максимальной производительности – автоматизация процесса, позволяющая делать перегонку по заранее заданному алгоритму без участия оператора. Система автоматики обязательно должна иметь не только исполнительный контур, но и блок безопасности, который моментально отключит оборудование при угрозе аварии.

Колонны с паровым отбором

Системы отбора по пару распространены за рубежом, где спирт и его производные уступают в популярности дистиллятам (коньяку, виски и т. д.), но ценится высокая крепость напитка. Иностранные умельцы конструируют ректификационные колонны с паровым отбором, имеющие минимальное флегмовое число – всего лишь 1, а не 4 как в России. При такой схеме обратно в колонну уходит не менее 50% флегмы.

В режиме дистилляции паровой отбор практически не нуждается в автоматике. Заданное на старте отбора «тела» флегмовое число сохраняется неизменным до конца, изменить его может только оператор, но даже при получении спирта регулировка нужна буквально пару раз.

Скорость же отбора к концу перегонки резко уменьшается вплоть до остановки. Если есть желание поохотиться за энантовыми эфирами (во многом создают органолептические свойства фруктовых дистиллятов) – меняют банки и увеличивают мощность нагрева, дальше следует дробный отбор и сортировка.

Если энантовые эфиры не требуются, делают то же самое, но дополнительно используют паузы для работы колонны на себя, чтобы остатки спирта были более концентрированными и с меньшим количеством примесей.

Автоматика в колоннах с паровым отбором нужна только на уровне блока безопасности. Кроме того, получение дистиллята предусматривает не группирование примесей по фракциям и полное их удаление, а сбалансированное снижение концентраций веществ до приемлемого уровня с обязательным сохранением вкусо-ароматических составляющих. Это дело для мастера-винокура, контролирующего процесс, регулировка по приборам здесь неуместна. Навалка ограничена объемом, который можно перегнать под руководством человека за имеющееся время.

Колонны с регулировкой подачи воды в дефлегматор

Несмотря на все недостатки, этот тип оборудования часто используется в России при строительстве бражных колонн. Причина – возможность получения дистиллятов из любого сырья, а при необходимости без изменения конструкции (дополнительная царга не в счет) можно собирать дистиллят высокой степени очистки – почти как спирт.

Колонны с регулировкой подачи воды в дефлегматор дороги в автоматизации, чувствительны к напору и температуре охлаждающей воды, что делает их слабо пригодными для получения чистого спирта-ректификата, но при малых навалках до 20 литров и неусыпном внимании оператора такие колонны способны на многое.

В последние годы делаются попытки создания гибридных ректификационных колонн, в которых «головы» отбирают по пару методом СМ, а «тело» по жидкости (LM). Это повышает и без того высокие показатели качества спирта на колоннах LM. Совершенству нет предела.

При строительстве бражных колонн, сориентированных на ароматные дистилляты, оборудование VM имеет преимущество перед СМ за счет простоты управления, а также нечувствительности к температуре и расходу воды в дефлегматоре – больше предсказуемость в «причесывании» примесей. Для сахарного сырья бражные колонны по схеме СМ перспективней за счет более качественного удаления головной фракции. Но управление ими создает немало проблем.

Автор статьи – ИгорьГор.

Царга для самогонного аппарата

В простой классической дистилляции царги успешно вытесняют сухопарники. Решая задачу борьбы с брызгоуносом, царги позволяют одновременно бороться с сернистыми газами, укреплять самогон, и даже в некоторой мере очищать напиток от труднолетучих соединений за счет парциальной конденсации. Еще одно преимущество царги – оборудование становится менее громоздким.

Диаметр царги выбирают исходя из желаемой производительности и предельной скорости пара, при которой образующаяся дикая флегма и брызги, вылетевшие из куба вместе с паром, беспрепятственно стекают обратно, а не загоняться по стенкам вверх к холодильнику.

При скорости пара в царге до 2 м/с брызгоунос исключен, от 2 до 3 м/с результат несколько хуже, а при 3 м/с и выше пар начинает загонять флегму вверх по трубе.

Посчитать скорость пара несложно:

V = N * 750 / S (м/с),

где:

• N – мощность (кВт);
• 750 – парообразование (см3/сек кВт)
• S – площадь поперечного сечения колонны по внутреннему диаметру (мм2).

Для защиты от брызгоуноса в большинстве случаев высота царги достаточна в пределах 30-40 см, поэтому определяющим при выборе высоты являются исключительно геометрические соображения. Обычно исходят из свободного вертикального размещения холодильника для обеспечения наилучших условий его работы.

Материал

Стандартно царги изготавливают из меди или нержавейки. Медь выступает катализатором и помогает связывать сернистые газы, очищая самогон от ненужных запахов. Применение меди целесообразно при перегонке зерновых и некоторых фруктово-ягодных браг с целью получения благородных дистиллятов путем повторной дробной перегонки.

Медная царга не дает преимуществ при перегонке сахарного или любого другого сырья для дальнейшей ректификации или получения НДРФ на аппаратах с жидкостным отбором, поскольку неконденсируемые газы и пар в конденсаторе находят разные пути. Газ вылетает через ТСА (трубку связи с атмосферой) и не вступает в контакт с конденсатом, идущим в отбор, а значит, не растворяется в нем. Очистка от сернистых газов на таких аппаратах проста и не требует дополнительных усилий.

Иногда для увеличения эффекта при первой перегонке используют медную насадку (наполнитель). Это довольно спорный прием: зона контакта с медью вырастет, очистка от сернистых газов улучшится, но одновременно уменьшится производительность аппарата, значит, увеличится время перегонки, в результате длительного кипячения браги выделится больше других вредных примесей. Здесь важна мера: если в качестве насадки выбрать медные кольца или трубки – это одно, а если плотную насадку типа СПН – совсем другое.

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.

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

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.

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.

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.

Ректификационная колонна своими руками

Существует множество вариантов изготовления представленного элемента, мы рассмотрим наиболее простую и доступную для создания в домашних условиях конструкцию. Процесс изготовления начинается с подбора подходящих инструментов и материалов, а также измерения деталей будущей заготовки. В первую очередь производится расчет ректификационной колонны, идеально для создания подойдёт трубка длиной 120-140 см и диаметром 3-5 сантиметра.

Подготовленную трубку из нержавеющей стали или меди необходимо разрезать пополам и зачистить ее края. Внутри необходимо выполнить резьбу для возможности быстрого соединения двух частей. Элемент будет иметь нижнюю (царга) и верхнюю (дефлегматор) части. Царга закрепляется с обоих краев металлической сеткой и болтами для удержания наполнителя внутри колонны

Предварительно внутрь камеры помещается измельченная металлическая губка для мытья посуды (важно использовать пищевой вариант, поскольку он не вступает во взаимодействие с парами этанола)

После заполнения трубки наполнителем она закрывается сеткой и укрепительными болтами с обоих концов, после этого конструкция устанавливается поверх перегонного куба. Теперь можно приступать к работе с верхним отделом, который будет выполнять роль холодильника или дефлегматора. Для этого потребуется дополнительно использовать трубку большего диаметра для создания полости между двумя стенками. В это пространство будет поступать вода из крана для охлаждения смеси. Более узкая трубка помещается внутрь широкой полой трубы и по обеим сторонам закрывается кольцами, препятствующими выходу воды. В верхней части дефлегматора приваривается крышка, в которой делается отверстие для выведения пара.

Чуть выше места соединения нижней и верхней частей ректификатора создаётся углубление для размещения узла отбора, через который будет удаляться флегма. После этого дополнительно создаётся внешний холодильник и обеспечивается доступ воды к системе. При желании в металлический корпус можно встроить термометр для контроля и отслеживания температуры во время перегонки.

Составляющие колонны и принцип работы

Для начала стоит обратить внимание на внешний вид установки. Она представляет собой высокую трубку небольшого диаметра, которая может быть выполнена из нержавеющей стали (применяются только пищевые варианты для дистилляции браги на основе злаковых культур) или из медной трубы (отлично подойдёт для фруктовой браги)

Она состоит и нескольких основных элементов, среди которых выделяется царга (может применяться как отдельный элемент в самодельных установках), дефлегматор, узел отбора и термометр для контроля температуры поступающих паров спирта. Внутри ректификационная колонна имеет специальный наполнитель, который увеличивает площадь соприкосновения с парами этанола, он также может быть выполнен из меди или нержавейки.

Исходя из основного принципа строения данная конструкция выполняет определенные функции в процессе перегонки. Работа ректификационной колонны обеспечивает удаление фракций с высокой температурой кипения (по сравнению с этанолом), к ним относятся сивушные масла и вода. Данный эффект достигается за счёт поэтапного выполнения нескольких процессов, о которых будет сказано ниже:

1. После закипания браги в перегонном кубе жидкая часть начинает испаряться и попадает по соединительным трубкам в следующие элементы конструкции. Ректификационная колонна принимает газовую смесь и начинает охлаждать ее.
2. При достижении верхней точки трубки смесь из газообразного состояния переходит в жидкость и конденсируется на стенках устройства. Это происходит за счет действия разности температур, при чем в первую очередь осаждаются фракции с высокой температурой кипения, поскольку для их охлаждения и достижения точки конденсации достаточно изменить температуру на несколько градусов.
3. Конденсированная жидкость стекает по стенкам вниз в перегонный куб, по пути она взаимодействует с поступающими парами спиртовой смеси и вступает во взаимодействие с ними. Так происходит обмен между газовой и жидкой составляющей, что способствует быстрой и эффективной очистке самогона при прохождении через систему трубок.
4. В верхней части трубки дополнительно устанавливается дефлегматор, который используется для сбора и отделения флегмы (вредные химические соединения, альдегиды и кислоты, придающие плохой вкус и запах). Он может быть выполнен в нескольких вариантах: рубашечный, спиралевидный или плёночный тип элемента.
5. После прохождения через представленные структуры вся смесь попадает в узел отбора, который выполняет функцию распределения. При попадании в данный элемент примеси удаляются по системе трубок в отдельную тару, предназначенную для сбора примесей.

Представленный процесс состоит из нескольких этапов, основанных на сложных химических взаимодействиях молекул веществ. После длительной ректификации получается очищенный спирт, который можно применять как в домашних условиях, так и в промышленном производстве.

Принцип работы ректификационной колонны

В первую очередь стоит разобраться с термином ректификации спирта. Ректификация представляет собой разделение многокомпонентного вещества на фракции. То есть отдельно метиловый, этиловый спирт, альдегиды, сивушные масла и другое. Происходит это благодаря выпариванию жидкостей и конденсированию пара много раз.

Схема ректификационной колонны

Ректификация, или барботаж, возможен благодаря тому, что концентрация компонентов в разных фазах отличается, а система при этом стремится к равновесию. Жидкая и паровая фазы обмениваются компонентами: жидкость получает труднолетучие, а пар легколетучие. В это же время между двумя разными фазами происходит и теплообмен.

Благодаря разной направленности движения жидкости и пара после достижения системой равновесия вверху ректификационной колонны можно отбирать чистые компоненты. При этом, как в самогонном аппарате, сначала отбираются жидкости с низкой температурой кипения, потом — с высокой.

Список источников

• pogarchik.com
• gradusinfo.ru
• domagonim.ru
• AlkoZona.ru
• alcofan.com