Новости портала




Противоречия ректификации

Категория для новичков, читать всем обязательно!
Аватара пользователя
S66
Администратор
Администратор
Сообщения: 2296
Зарегистрирован: 20 авг 2012, 16:00
Репутация: 1
Откуда: Владивосток
Благодарил (а): 9 раз
Поблагодарили: 363 раза
Контактная информация:

Основы ректификации спирта

#1 Сообщение S66 » 07 июн 2017, 10:31

В этой статье я постараюсь объяснить принцип ректификации, только не с точки зрения «умных» книжек середины прошлого века, а с точки зрения современных понятий и здравого смысла. Начнём, пожалуй, с самой распространённой модели для домашнего спиртоварения – насадочной ректификационной колонны. Когда такую колонну сравнивают с ракетой, у меня это вызывает приступ неудержимого смеха. Как можно сравнить конструкцию с низким КПД с ракетой? Уместнее было бы, провести аналогию с паровозом Уайта. Ну или на худой конец, вот эта картинка показывает «устройство» насадочной РК в полной мере:
Изображение
КПД у неё именно такой. Несомненно, насадочная РК это шаг вперёд, по сравнению с тарельчатыми колоннами, но не настолько, что бы сравнивать это «чудо» с ракетой. Конструктивно такая колонна это скорей комок противоречий, нежели нормальная рабочая система. Но давайте по порядку.

Глава Первая, теоретическая.
______________________________________________________________________________________________________________
И так, начнём… Для удобства понимания, давайте сразу условимся что в перегоняемой смеси у нас будет только вода и спирт. Мы принимаем, что удельная теплота парообразования воды и спирта, а так же их теплоёмкость константы (на самом деле это не так, и эти величины не постоянные). То, о чем я буду рассказывать ниже, объясняет лишь принцип и не претендует на точные математические расчеты.
Что такое насадочная ректификационная колонна? Колонна, у которой весь рабочий объем заполнен насадкой - материалом, имеющим высокую удельную поверхность.
Старинная теория ректификации не уделяет ни какого внимания распределению тепловой энергии в колонне. Не верите? Давайте посмотрим. На входе в колонну мы имеем, допустим, 1 кВт тепловой энергии, и соответственно ей количество водно-спиртового пара. В середине колонны у нас такое же количество тепловой энергии, и соответствующее её количество пара, только с большим содержанием спирта. Вверху колонны картина абсолютно идентичная. Т.е. на входе в колонну у нас 1 кВт, и на выходе тоже – 1 кВт (принимаем, что наша колонна имеет идеальную теплоизоляцию). Более подробно я остановлюсь на этом вопросе в математической главе. Различен только состав пара и его количество, но это мы собственно и добиваемся. Вот только количество пара вверху колонны несколько превышает количества пара поступающего из куба. Это не есть хорошо, скорее, на оборот. Для увеличения разделяющей способности ректификационной колонны логичнее было бы снижать скорость пара в колонне, а здесь мы её увеличиваем. Нонсенс? Несомненно.
Давайте разберёмся в процессах, происходящих в колонне. Несомненно, самая «важная» часть – это нижняя часть колонны, а точнее первые 20 сантиметров. Именно там и происходит основная конденсация тяжелокипящих фракций. Тут необходимо сделать маленькое отступление. Дело в том, что основная ошибка в понимании процесса ректификации заключается в этой картинке:
Изображение

Именно она «уводит» нас в сторону от истины. Этот рисунок показывает лишь то, что такое теоретическая тарелка. Само понятие Теоретическая Тарелка – это не принцип ректификации, это лишь некий показатель разделяющей способности колонны и не более того. Дело в том, что флегма внутри колонны не кипит. Не верите? Вспомните обычную паровую баню, которую наверняка использует ваша жена на кухне. Для тех, кто не помнит – напомню. Возьмите две кастрюли, разного диаметра, вставьте их друг в друга и наполните их водой. Ставим эту конструкцию на печку и начинаем ждать, когда же закипит вода в верхней кастрюльке. Уверяю, этого вы не увидите ни когда, вода быстрее испарится, нежели закипит. Точно такие же процессы происходят в колонне. Флегма, текущая в низ, не кипит, а просто испаряется! И следовательно, рассматривать процесс ректификации как процесс многократной конденсации и испарения спирта по крайней мере не логично.
Вторая широко распространённая ошибка заключается в самом понятии «температура». Дело в том, что -
Температура есть мера средней кинетической энергии.

Ключевое слово здесь – «средней». Т.е. если температура пара, скажем, 90о С, то это не означает, что все молекулы пара имеют именно эту температуру. В таком паре содержатся молекулы воды с кинетической энергией равной 100о С и молекулы спирта с энергией эквивалентной 78,15о С, а средняя их температура как раз и будет составлять 90о С. Если молекула спирта хоть не много потеряет свою энергию, то она неизбежно сконденсируется, и не обязательно на какой либо поверхности. Эти молекулы «прилипают» друг к другу прямо в газе. Наглядно этот процесс можно наблюдать при кипении чайника. Ведь сам пар абсолютно прозрачен, но когда молекулы начинают терять энергию (конденсироваться), вот тут мы их и видим, точнее мы наблюдаем микроскопические капли конденсата.
Но вернёмся к нашей колонне. Процессы, протекающие в нижней её части, весьма условно можно назвать теплообменом. Тяжелокипящие фракции пара из куба конденсируются, низкокипящие из флегмы – испаряются, превращаясь в пар. Ни какого теплообмена не происходит, количество тепла, я говорил об этом выше, не изменяется. Оно всегда будет одинаковым, по всей высоте колонны, меняется только состав и количество пара. Не эффективность процесса, происходящего в нижней части насадочной колонны, можно оценить по количеству спирта, возвращаемого в куб в виде флегмы. Если верить академикам от самогоноварения, то в куб возвращается ровно столько спирта, сколько его содержится в кубовом остатке. Проверять сиё утверждение, у меня нет ни малейшего желания, по этому, попробуем просчитать, но это несколько ниже. Т.е. мы имеем бесполезно потраченную энергию – сначала мы выпариваем спирт из СС, потом почти половину возвращаем обратно в виде флегмы! На лицо не правильно организованный процесс, но это опять издержки самой конструкции насадочной колонны. Логичнее было бы на этом этапе отвести часть тепла конденсации тяжелокипящих фракций из колонны, но эта уже другая тема для размышления. О ней я подробно расскажу и покажу, уже в практической ветке форума. А пока давайте рассуждать дальше.
И так, мы «охладили» наш пар до желанных 78,3о С, и он продолжает подниматься по колонне, а на встречу ему течет флегма из дефлегматора. Что происходит на этом этапе? Напомню – температура конденсации меньше или равна температуре кипения фракции. Следовательно, часть молекул спирта уже может перейти из парообразного состояния в жидкое (сконденсироваться). Давайте рассмотрим случаи, когда молекула спирта сталкивается с поверхностью конденсации с температурой 78,3о С. Возможно два варианта развития событий:
Изображение



В первом случае, не происходит ни какой передачи энергии, во втором, эта молекула отдаст часть энергии флегме (теплота конденсации равна теплоте парообразования) и из неё тут же испарится другая молекула спирта, унося энергию. Это и есть тепловой баланс. Температура поверхности конденсации не изменилась, температура пара то же. Естественно и состав пара остался неизменным.




Но в большей степени температура 78,3о С, благоприятна для конденсации молекул воды, нежели спирта. Для молекулы воды наша картинка будет иметь такой вид:
Изображение

У этой молекулы, при соприкосновении с поверхностью, температура которой 78,3о С, нет другого выбора, кроме как передать тепловую энергию поверхности (флегме), а самой сконденсироваться. Этой энергии вполне хватит, что бы испарить несколько молекул спирта (две, три и т.д.). В этом случае, температура пара несколько упадёт (но возрастёт его количество), а температура флегмы ни как не изменится. Вот здесь, мы видим, что состав пара изменяется, это и есть принцип ректификации ну и собственно ТМО.
Вот здесь есть один очень интересный момент. Мы с Вами рассмотрели случаи соприкосновения молекул с поверхностью температура которой равна температуре кипения спирта, но если нам удастся термостабилизировать температуру (отвести часть тепла) поверхности конденсации, скажем, на уровне 80о-82о С (несколько больше температуры кипения этанола), то молекулы спирта не смогут конденсироваться на ней! Но это невозможно сделать в случае насадочной колонны. В этом и заключается, пожалуй самый главный недостаток этого метода ректификации.
Но не всё так гладко в этом процессе… Конечно, был бы идеальный вариант – молекулы воды конденсируются, этанола испаряются… красота! В итоге на выходе мы имеем чистый спирт-ректификат! Но, существует еще и естественное испарение, или в какой-то момент времени, в одну и туже точку, ударились две молекулы воды. Образовалась зона локального перегрева и из неё могут испариться не только молекулы спирта, но и молекула воды. Вот здесь нам и необходима большая площадь поверхности конденсации.
А теперь, давайте разберёмся - нужна ли флегма вверху колонны? Какая разница будет или поверхность конденсации (насадка) орошаться флегмой , или нет? Температура насадки и флегмы одинаковая, следовательно, и условия конденсации одинаковы, в обоих случаях! Вдобавок ко всему сказанному, на поверхности насадки будет образовываться своя флегма («дикая», т.е. не управляемая). В данном случае флегма из дефлегматора играет только отрицательную роль, создавая дополнительное препятствие на пути пара. Ни какой смысловой нагрузки она не несёт. На самом деле, для протекания процессов испарение-конденсация, вполне хватит и дикой флегмы. Не нужно быть семи пядей во лбу, что бы понять – количество флегмы должно возрастать пропорционально высоте колонны, чем ниже, тем больше флегмы требуется. В современных РК мы наблюдаем прямо противоположную картину. Опять несуразица?
Наверное, настал момент поговорить о эффективности самой насадки. Обладает ли эта насадка какими-то «волшебными» свойствами, приписываемыми ей некоторыми нашими коллегами? Оказывается, нет! Плёночные колонны значительно эффективней насадочных. Это было доказано ещё в середине прошлого века, правда, с одной оговоркой – скорость пара в такой колонне не должна превышать 1 м/с. Давайте сравним оба этих способа ректификации. Высота ТТ (расстояние на котором происходит укрепление пара, так, если бы мы перегоняли СС на обычном прямоточнике) для насадочной колонны порядка 1,5-2,5 см, а для плёночной колонны составляет всего 0,5 см. Есть разница? Естественно. С другой стороны использование насадки, в качестве метода увеличения площади конденсации, есть тупиковая ветка в развитии. Опять не верите? Смотрите сами – увеличение разделяющей способности колонны, требует увеличения площади контакта пара и флегмы. Это, в свою очередь, требует увеличения удельной поверхности насадки, что неизбежно приведёт к росту гидравлического сопротивления колонны, и как следствие, к снижению ее производительности. Разве это не тупик?
Ещё один существенный недостаток современных РК - это обязательное наличие дорогостоящей автоматики. Конечно, можно обойтись и без неё, но поверьте, Вам очень быстро надоест сидеть сутками напролёт возле своего детища, постоянно подкручивая всякого рода регуляторы, следя за дельтой температуры. Я уже давно создаю аппараты с автоматическим регулированием ФЧ, и все они прекрасно работают без электроники. По сути, любой парциальный дефлегматор есть регулятор ФЧ. Главное знать, где и когда применить его. На самом деле всё предельно просто – интенсивность конденсации зависит от разности температур охлаждающей поверхности и температуры кипения отдельно взятой фракции. Если температура пара постоянна, на таком дефе конденсируется строго определённое количество пара, питая колонну флегмой. Как только температура пара поползла вверх, увеличивается и количество конденсата (возвращаемой флегмы). Эта флегма опустится вниз и «охладит» пар, сконденсировав тяжелокипящие фракции.


Пьяный заяц - тоже зверь!

Аватара пользователя
S66
Администратор
Администратор
Сообщения: 2296
Зарегистрирован: 20 авг 2012, 16:00
Репутация: 1
Откуда: Владивосток
Благодарил (а): 9 раз
Поблагодарили: 363 раза
Контактная информация:

[ Библиотека ]Теоритические основы самогоноварения

#2 Сообщение S66 » 07 июн 2017, 10:40

Глава Вторая, математическая.
__________________________________________________________________________________________
Я напомню, что это лишь очень приблизительные подсчеты, на практике они будут другие.
Чтобы сконденсировать 1 кг воды из пара, необходимо испарить 2,5 кг спирта (удельная теплота конденсации равна теплоте испарения, для спирта будет составлять 905 кДж/кг, для воды 2260 кДж/кг). Для удобства восприятия давайте переведём килограммы, в привычные нам литры. Получаем, что для конденсации 1 литра воды потребуется испарить 3,09 литра спирта (плотность спирта 0.8075 кг/л). Теперь давайте посчитаем производительность такой колонны при 1 кВт нагрева (принимаем, что теплопотери равны нулю, а на выходе мы получаем абсолютный спирт). Из 12% браги объём спирта в паре будет составлять 59,3%, при общем объёме дистиллята 2,415 л/ч. Объем АС в нём будет составлять 1,432 л/ч, объём воды соответственно 0,983 л/ч, Для того чтобы нам удалось сконденсировать такое количество воды, необходимо вернуть в колонну и испарить 3,04 л\ч спирта. Как мы помним, объём спирта поступающего из куба, у нас составляет 1,432 л/ч, а объём переиспарённого спирта составит 3,04 л/ч. Итого мы имеем 4,472 л/ч АС в виде пара, поступающего в дефлегматор. Т.е. Если колонна «идеальна», то ФЧ для неё будет составлять 1,5. Не плохо… Но, как я говорил выше, современные РК подобны паровозу Уайта. При такой спиртуозности в кубе, мы, в лучшем случае, сможем отбирать 0,5 л/ч товарного спирта (на самом деле на порядок меньше), а остальное вынуждены отправлять в колонну. ФЧ уже составляет 8,86, или мы возвращаем в колонну 3,972 л/ч спирта! Из них переиспарится 3,04 л/ч, а в куб возвратится 0,932 л/ч АС. (1,85 л 48%). Как видите, мы полностью опровергли утверждение «академиков» о том, что в куб возвращается флегма со спиртуозностью равной спиртуозности кубового остатка.
Как я и обещал выше, давайте подсчитаем количество тепла в низу колонны. 1,156*905 + 0,983*2260 =1046,5+2221,58=3268 кДж. Вверху мы получаем 3,611*905=3268 кДж. Что и требовалось доказать – количество тепловой энергии в низу колонны равно количеству тепловой энергии вверху.
На этом пока можно остановиться. То, о чем я говорил в теоретической главе, полностью подтверждается цифрами.
Пьяный заяц - тоже зверь!

Аватара пользователя
S66
Администратор
Администратор
Сообщения: 2296
Зарегистрирован: 20 авг 2012, 16:00
Репутация: 1
Откуда: Владивосток
Благодарил (а): 9 раз
Поблагодарили: 363 раза
Контактная информация:

[ Библиотека ]Теоритические основы самогоноварения

#3 Сообщение S66 » 07 июн 2017, 10:46

Глава третья, пояснительная.
______________________________________________________________________________________
Вместо предисловия… Я с удивлением, читая другие форумы, обнаруживаю повторение своих мыслей нашими академиками от самогоноварения. И это честно сказать радует, значит не зря я здесь распинаюсь. Некоторые товарищи наконец осознали что флегмы вверху колонны больше чем внизу, ну и т.д. Правда они до сих пор пытаются рассчитывать и крутить свои трёх метровые димроты для дефлегматоров, но это от упрямства, хотя я уже выкладывал конструкции подобных устройств использующих всего 0,7 м медной трубки для конденсации пара, испарённого при 3 кВт нагрева, да и размерами они с пачку сигарет. Но повторюсь – это больше от упрямства, нежели от не знания. Да и конструкторская мысль у них явно отсутствует. Ну да бог с ними, пускай читают (а делают они это регулярно), может что-то и поймут наконец.

Есть чуток свободного времени, потрачу его с пользой, постараюсь объяснить процессы, протекающие в насадочной (плёночной) ректификационной колонне, о которых я вскользь упомянул в предыдущей статье. А именно процессы естественного испарения (переиспарения) спирта. Сразу оговорюсь, если Вы искренне уверены в том что «температура» молекулы воды, испарившейся из жидкости, имеет «температуру» этой жидкости, то дальше Вам читать не обязательно. Для начала ознакомьтесь с понятием «теплота испарения».
Если вы читаете дальше, то я надеюсь, подобных казусов больше происходить не будет. Для удобства понимания давайте представим количество энергии, необходимой для испарения молекулы спирта в процентах – 100%. И так, мы имеем флегму с температурой, например, 78,32оС. Часть молекул в ней имеет 99,99% запаса энергии, необходимой для разрыва межмолекулярных связей, часть 99,98%, ну и т.д. Что произойдёт с этими молекулами, если в них «врежется» (сконденсируется) всего одна молекула воды? Мне тут уже пытались объяснить, что энергии конденсации одной молекулы воды не достаточно для испарения даже одной молекулы спирта. Я с этим абсолютно согласен, но при условии, если температура этой флегмы будет 0о С. А в нашем случае, мы имеем «кучку» молекул уже почти готовых испариться, им не хватает совсем чуть-чуть, маленького толчка, и они сорвутся с насиженного места. Именно такой «толчок» и даёт одна единственная молекула воды. Её энергия конденсации перераспределиться между молекулами спирта, дополняя её до 100%, и они просто испаряться (разорвут межмолекулярные связи), тем самым охладив флегму. На этом участке образуется локальная зона с более низкой температурой. В ней мгновенно сконденсируется Н-ое количество молекул спирта из пара, выровняв температуру флегмы. Так какое же количество молекул спирта может испариться при конденсации всего одной молекулы воды? Как вы уже наверное поняли, тут дело случая, всё зависит от того, сколько молекул спирта, находящихся рядом, имеют «пограничное» состояние. Ведь на определённом, отдельно взятом, участке флегмы могут «существовать» молекулы и с 99,99% запасом энергии, и 70% и 10%, но средняя их энергия эквивалентна 78,32о С.
Теперь, давайте разбираться с переиспарением. Как известно, испарение происходит всегда и при любой температуре (случаи с закрытыми ёмкостями рассматривать не будем). А вот интенсивность испарения напрямую зависит от температуры. В нашем случае, мы имеем температуру флегмы близкую к температуре кипения. Особо любознательные могут провести опыт – нагреть кастрюльку со спиртом на печке и отследить интенсивность его испарения. То же самое происходит и в колонне, флегма не обязательно должна кипеть, из неё и так будет испаряться спирт (в первую очередь). При испарении температура флегмы понижается и на этой поверхности тут же сконденсируется спирт (и не только, в первую очередь будут конденсироваться хвостовые фракции) из пара. Иными словами на флегме образуется локальная зона с пониженной температурой, которая как магнит «притягивает» молекулы из пара, заставляя их конденсироваться. Вот собственно и есть основной принцип ректификации. Но вы должны четко понимать, что некоторые молекулы спирта могут спокойно пролететь всю колонну, так и ни разу не сконденсировавшись.
Что касается примесей (компонентов сивушного масла), неизбежно присутствующих в браге или СС. Все проблемы именно из-за спиртосодержащей флегмы стекающей вниз по колонне и прямого контакта пара и флегмы. Спиртуозность этой флегмы несколько меняется по высоте колонны, и соответственно, меняется и коэффициент ректификации (летучести) этих примесей, то они приобретают свойства головных фракций, то хвостовых. Именно по этой причине эти примеси всегда будут сидеть в колонне, вывести их приданной конструкции не возможно. Казалось бы, решение простое – сконденсировать их на определённом участке колонны и удалить, делов то… но опять мы упираемся в конструкцию. Т.е. конструктив современной насадочной РК не располагает к некой модификации. Казалось бы, решение на поверхности – убери спиртосодержащую флегму на пути пара, сконденсируй хвостовые фракции и всё! Просто? Конечно. А все эти танцы вокруг парового или жидкостного отбора – это лишь танцы с бубном вокруг костра, и не более того. Те, кто следит за данными изысканиями, может легко в этом убедиться, воз и ныне там, где находился пару десятков лет назад. Признаюсь, я подобный бред уже давно перестал просматривать.
В начале этой главы, я с не большой издёвкой, упомянул насадочную и плёночную колонну. Кому только в голову пришло разделить эти два понятия? Принцип действия один и тот же! И там и там – плёнка из флегмы, т.е. обе эти конструкции есть плёночные колонны, а сама насадка лишь не совсем удачный способ увеличить площадь пресловутого контакта пара и флегмы. Ведь, несомненно, насадка создаёт препятствие на пути пара, и чем мельче она, тем больше термодинамическое сопротивление колонны и соответственно меньше и КПД.
К чему я это всё пытаюсь рассказать? Постепенно, мы будем с вами конструировать колонну нового поколения, а именно РБК-4. Конечно, легче всего было бы выложить готовый чертёж, но это банально и не интересно. Давайте вместе разбираться и постепенно придём к новой конструкции принципиально нового аппарата.
Пьяный заяц - тоже зверь!

Аватара пользователя
Вась-Ёк
Постоялец
Сообщения: 268
Зарегистрирован: 26 июл 2016, 20:36
Репутация: 1
Откуда: Геленджик
Поблагодарили: 7 раз
Контактная информация:

Основы ректификации спирта

#4 Сообщение Вась-Ёк » 07 июн 2017, 21:48

Так вроде уже была 4-ая, и 5-ую за пол года обмусолили с разных сторон. Или я что то пропустил?

traktorist
Постоялец
Сообщения: 968
Зарегистрирован: 27 мар 2015, 17:10
Репутация: 1
Благодарил (а): 41 раз
Поблагодарили: 47 раз
Контактная информация:

Основы ректификации спирта

#5 Сообщение traktorist » 07 июн 2017, 22:49

С удовольствием перечитал всё ещё раз,Михаил наверное что то подправлял,ну так заодно подправь еще слово теоритические на теоретические (в заголовке) :D1 .


Вернуться в «С чего начать»

Кто сейчас на конференции

Сейчас этот форум просматривают: нет зарегистрированных пользователей и 1 гость