Решил описать своё понимание ректификации простым языком. Так сказать, от чайника для других чайников. Критика и дополнения приветствуются, буду править. Хотелось бы в итоге получить выжимку из теории простым языком, для практического использования.
Основы
Ректификацию можно описать как многократную последовательную дистилляцию:
К примеру, берем спирт сырец 10% (ось Х), начинаем дистиллировать, и судя по графику выше, получаем на выходе 54%. Если залить 54% в следующий куб, и опять дистиллировать, получаем 82%, и так далее. Каждый такой акт дистилляции выполняют в ректификационной колонне реальные, или теоретические тарелки (ТТ).
Связь температуры и спиртуозности.
Чем слабже спирт, тем теплее его стабилизированная жидкостно-паровая смесь.
На графике выше видно, что чем выше температура (ось Х), тем меньше спиртуозность (ось Y) и жидкости, и образующегося из неё пара. Поэтому чем выше по колонне, тем меньше становится температура содержимого, в соответствии со всё увеличивающейся спиртуозностью.
При стабилизированной колонне, без отбора, температура в кубе и на всех уровнях практически не меняется. Можно сказать, что мощность ТЭНа идет на нагрев охладителя в дефлегматоре. И в потоке тепла от куба к дефлегматору сортируется спирт. Практически, сортировка является побочным продуктом нагрева. Можно греть теплоноситель в батареях дома, а в качестве побочного продукта получать спирт. Либо майнить криптовалюту, охлаждением греть дом, а на границе жара и холода получать спирт. Трех зайцев одним выстрелом. Если бы можно было продавать криптовалюту и спирт, то отопление не просто стало бы бесплатным, нам бы за него доплачивали )))
Отбор спирта
Большинство производителей колонн рекомендуют отбирать спирт в месте его максимальной спиртуозности - наверху колонны. А признаком окончания отбора предлагают считать увеличение температуры - уменьшение спиртуозности в узле отбора.
Выше на рисунке колонна, в разные этапы перегона.
а) куб полон спирта
б) в кубе 40% спирт
в) в кубе почти не осталось спирта, но колонна ещё полная
г) тратится спирт в колонне
д) хороший спирт в колонне давно кончился
Там где пунктирная линия упирается вверх - показана спиртуозность-температура в узле отбора на начало. Видно, что со временем расстояние между линиями (разница температуры от начальной) всё больше. Производители рекомендуют заканчивать отбор спирта, когда температура увеличится на разряд (на 0,1°C) от начальной. Всё бы хорошо, если бы не давление и примеси. Об этом ниже.
Тоже самое в цифрах в таблицах. Столбец №ТТ - теоретические тарелки, Столбы Т, жидк, и пар - соответствующие температуры и спиртуозности на данных ТТ:
Обратим внимание на:
- оранжевым отмечены ТТ снизу колонны, на которых происходит укрепление до 90%. Граница условна. Я хочу показать, что эта укрепляющая часть колонны не превышает 5-6 ТТ. Именно в этой зоне много хвостов, и скапливаются промежуточные примеси. Об этом ниже.
- зеленым отмечены тарелки от укрепляющей части и выше. Это зона очистки от вредных примесей. Каждой своей ТТ, снижает количество хвостовых и промежуточных примесей в отборе. Поэтому и используют колонны не 6 ТТ максимум (~30 см), а бывает даже три метра и более. И цель оператора, при сокращении этой зоны, прекратить отбор. Но об этом ниже.
- желтым отмечена зона, где не меняется последний разряд обычного термометра с 0,1°C дискретностью. Что в кубе было 89% спирта, он показывал 78,1°C (самая верхняя строка в таблице). Что колонна почти пустая, всё равно показывает 78,1°C. И только когда зона укрепления подойдет практически к отбору, термометр почувствует и переключится на 78,2°C. Если этот момент не поймать, то в продукт попадет куча примесей из укрепляющей зоны колонны
- голубым и синим показаны зоны, которые обнаруживались бы термометром с дискретностью 0,01°C. Ну и понятно, что если использовать термометр 0,001°C, да ещё и с сигнализацией по уровню, то вообще всё будет под контролем.
Это упрощенный анализ стабилизированных моментов колонны без отбора. Ниже посмотрим как это всё выглядит с отбором.
P.S. На самом деле, если не упрощать, то в колонне никогда не бывает "застывшей" температуры. Даже если не учитывать сквозняки и изменения давления, то в отборе от контакта с воздухом накапливаются продукты окисления этанола (головы), а также постепенно из куба просачиваются и накапливаются концевые примеси. Так что температура в отборе будет всё время очень медленно снижаться по мере накопления примесей.
Зависимость температуры кипения от давления
Каких-то подробных таблиц, и достоверных формул, связывающих температуру, спиртуозность и давление - нет. У Цыганкова есть такая не очень подробная таблица:
Смысл в том, что с увеличением давления, температура кипения водо-спиртовой смеси увеличивается. Порядка 0.05°C на каждый мм.рт.ст. У этого факта есть практические следствия:
- При изменении погоды (а она постоянно куда-то меняется), температуры на колонне будут меняться. При диапазоне изменения атмосферного давления 640-815мм.рт.ст (Википедия), температура в узле отбора будет врать от -6°C до +3°C. Поэтому, чтобы знать, изменилась ли она от подхода хвостов, или от изменения давления, или от того и другого сразу, нужно корректировать температуру давлением.
- ТЕН в кубе превращает жидкость в пар. Поток пара через колонну до дефлегматора, в зависимости от колонны, создает давление около 10мм.рт.ст. Насадка в колонне уложена не идеально ровно, могут быть микро захлебы. Также давление растет с увеличением спиртуозности в колонне. Поэтому сопротивление пару и давление на разных участках слабо предсказуемо. И чем ниже по колонне, тем более приблизительно можно определить спиртуозность только по температуре куба или нижней части колонны.
Примеси. Или для чего нужна ректификация.
Кто-то прочитав разделы выше, задаст вопрос: какой смысл на колонне получать 96% спирт, а потом его опять разбавлять до 40%? Когда это-же можно сразу сделать на дистилляторе. Да ещё и оказывается для 90% спирта достаточно короткого огрызка колонны. Ниже разберем, для чего нужна рек колонна.
Примеси бывают разные. Какие-то без вкуса и запаха, или с приятным запахом (фурфурол), но очень ядовитые. А какие-то не очень ядовитые, но сильно портят вкус и запах.
Вопрос примесей уже поднимался выше в разделе Отбор спирта. Теперь этот вопрос рассмотрим подробнее.
Примеси характеризуются летучестью. Какие-то более летучие, чем спирт (K > 1). Какие-то менее (K < 1). И всё бы ничего, да только зависит эта летучесть от крепости спирта, в котором они находятся. И если в начале они могут быть явно хвостовыми, то к концу погона могут стать уже чуть ли не головными. Вот графики самых распространенных примесей:
По оси Х - спиртуозность раствора. Уровень 1.0 по оси Y показывает летучесть спирта. Если график примеси всегда выше 1.0, то примесь всегда улетает в отбор быстрее спирта (головы, графики). Всегда ниже - выходит после спирта (Хвосты). С этими видами проблем нет. Головы отобрать вначале, хвосты не отбирать. Единственное, нужно держать зону укрепления (Табл.1 оранжевая) подальше от отбора, так как концентрация хвостов к отбору падает тем больше, чем больше ТТ из зоны очистки (зеленые) им приходится преодолевать.
Хуже с промежуточными примесями. На графике они пересекают горизонталь 1.0 сверху вниз. То есть пока в кубе спиртуозность выше точки пересечения с 1.0, они остаются в кубе, как только становится ниже, они начинают активно накапливаться в нижней укрепляющей части колонны (оранжевая Табл.1 и График 4 ниже). Через некоторое время их уже не остается в кубе, они как головы все скопились в одном месте. Только не в отборе, а в укрепляющей зоне. Мало того, что при большом количестве они могут заблокировать нормальный проход спирта из куба вверх, они просачиваются в отбор гораздо лучше хвостовых примесей. То есть зона очистки нужна значительно больше для их уверенного снижения. Именно для этого, ректификационные колонны не 30см высотой, а минимум 100 и более. Также для борьбы с блокировкой низа колонны и в качестве превентивной меры от просачивания вверх, применяют нижний узел отбора в укрепляющей зоне, или польский буфер.
Концевые примеси (метанол). Они как через горлышко в песочных часах просачиваются через зону укрепления (оранжевую Табл.1) и дальше с ускорением улетают вверх в отбор. Возможно, если в начале долго держать стабилизированную колонну, да ещё и с крепким спиртом в кубе, то можно дождаться, когда они все потихоньку перейдут в головы. То есть обычные головы быстро выйдут и встанут в отборе, а концевые нужно ждать тем дольше, чем меньше спиртуозность в кубе. Наверное можно было бы на начальном этапе накопления голов, насосиком перекачивать содержимое куба выше зоны укрепления (горлышка), чтобы помочь концевым примесям быстрее преодолеть этот барьер. Скорее всего так и делают в непрерывных ректификационных колоннах
Ниже более наглядный график показывающий поведение разных видов примесей в зоне укрепления:
На левом графике распределение по зоне укрепления, промежуточных примесей. То есть те места, куда они все выйдут из куба.
На правом графике показано как ведут себя разные типы примесей в зоне укрепления:
1 - головные; 2 - промежуточные; 3 - хвостовые; 4 - концевые (песочные часы)
Поведение колонны при Отборе
Если информация выше надеюсь особых споров не вызовет, то дальнейшие выводы могут вызвать вопросы. Поэтому буду делать последовательные шаги от простого к сложному.
1. ТЭН испаряет водно-спиртовую смесь в кубе, и пар поступает в низ колонны. Чем больше полезная мощность ТЭНа, тем больше количество поступающего в колонну спирта, так как оно пропорционально объему и спиртуозности пара.
2. Для сохранения стабильности колонны, скорость отбора спирта сверху должна быть равна скорости его поступления снизу. При этом формируется стабилизированная кривая спиртуозности по высоте колонны, с характерной зоной укрепления снизу (Рис 2. а) ).
3. Если отбор меньше поступления (Рис 2. б) ), то появляется накопительный эффект, кривая сжимается, сокращая зону укрепления и чуть улучшая спиртуозность в отборе. Из колонны обратно в куб начинает выходить всё более крепкая флегма с лишним спиртом.
4. Если отбор становится больше (Рис 2. в) ), то кривая сначала разжимается до стабильного состояния, а потом зона укрепления начинает смещаться вверх, по мере траты запасов спирта в колонне. Спиртуозность в отборе всё больше падает, примесей проходит всё больше.
5. При опустошении колонны, ниже зоны укрепления не создается зоны высокой спиртуозности, так как спирт сразу уходя вверх, не успевает накапливаться. Видимо, создается некий очень плавный рост спиртуозности от спиртуозности пара в кубе до спиртуозности зоны укрепления.
6. Чем меньше остаточная спиртуозность в кубе и выше его температура, тем меньше спиртуозность пара (Графики 1 и 2), больше теплопотери, и как следствие - меньше спирта поступает в колонну.
7. Чем больше ТТ выше зоны укрепления, тем больше спиртуозность отбора, меньше примесей, и меньше температура в узле отбора. Важно остановить отбор до того, как зона укрепления подойдет близко к отбору.
8. Если прекратить отбор когда зона укрепления ещё не "оторвалась" от низа колонны, то в кубе останется много спирта. Поэтому важно определить момент, когда куб уже практически не содержит спирта, а зона укрепления не сильно поднялась вверх, оставляя сверху большую зону очистки от примесей.
9. Так как нижняя часть зоны укрепления понижается очень плавно и не имеет конца, важно самому определится, сколько оставлять спирта в кубе ради меньшего количества примесей в продукте. Возможно, увеличивать высоту колонны, для возможности безопасно добрать спирт..
Управление отбором
С учетом вышеизложенного, вырисовываются главное требование к системе управления ректификацией: Отбирать спирта не более поступающего из куба, для поддержания стабильного состояния колонны и удержания укрепляющей зоны с вредными примесями подальше от отбора. Выбор баланса скорости и спиртуозности на выходе.
Как же это сделать? Есть несколько подходов:
1. Ручной подход.
Именно он скорее всего описан в инструкции к вашей колонне. После стабилизации и начала отбора тела, засекается температура в узле отбора, и после того как она вырастет на 0,1°C, прекращать отбор. Мощность нагрева постоянная. Отбор тела происходит на одной и той-же скорости. Примерно ориентироваться на количество оставшегося спирта, можно по второму термометру в кубе.
Преимущества:
1.1. Бесплатно. Пара термометров, как правило идет в комплекте.
1.2. Простота. Куда термометр воткнул, там и смотришь.
Недостатки:
1.1. Как уже указывалось в разделе Отбор спирта, чувствительность обычного термометра такова, что покажет изменение только тогда, кода зона укрепления будет совсем рядом с отбором. К этому моменту уже добраны последние пол колонны с большим содержанием хвостовых и промежуточных примесей.
1.2. Нужно внимательно смотреть на термометр, чтобы не пропустить момент его перехода. Счет идет на секунды. Буквально через пол минуты идут уже высоко концентрированные примеси, и работа десятка часов запорота.
1.3. Атмосферное давление сильно влияет на показания термометра. В процессе, термометр несколько раз может изменить свои показания то вверх, то вниз. Из-за этого, довольно часто первое увеличение игнорируют, думая, что это шалит давление. И только когда за короткое время он увеличивается второй раз, уже бегут перекрывать отбор. Понятно, что результат получается мягко говоря не очень. И только большой опыт ориентирования по температуре куба и везение, поможет получить не совсем уж плохой продукт.
1.4. Одна и та-же скорость отбора на протяжении всего процесса, Хоть она и выбрана производителем с запасом, но всё же во второй половине погона выводит колонну из стабильного состояния. Баланс прихода-расхода спирта в колонне перестает сходится, укрепляющая зона поднимается и срабатывает термометр. Человек перекрывает отбор, чешет голову, думая как же так, ведь судя по температуре куба и расчетам, спирта должно быть ещё много. В это время колонна "отдыхает", набирается спирта, температура опять падает и человек с радостью, что всё нормализовалось, опять открывает отбор. И так несколько раз. В итоге, солидная часть отбора прошла в условиях отбора чуть выше зоны укрепления. Соответственно зона очистки была минимальна, и куча примесей в продукте.
1.5. При отборе всех голов температура меняется около 0,05°C. Термометром 0,1°C это не проконтролировать, приходится отбирать по расчетам. Например 3% от Абсолютного спирта.
1.6. Много нужно делать руками. Подогрев, воду включать. Банки менять. За проливом и наличием воды в кране следить.
2. Автоматика узла отбора
Продается довольно много автоматик для отбора.
Преимущества:
2.1. Недорого. Можно купить за 1-2 т.руб на АлиЭкспресс. Силовое реле уже встроенное.
2.2. Пока ещё относительно просто. Температурный зонд из коробочки втыкается за место термометра. Докупается, и подсоединяется клапан к отбору. Всё это соединяется, запитывается, включается и вот уже показания температуры светятся на табло. Ещё немного подрегулировать кнопками и в принципе автоматика настроена.
2.3. Вот уже не нужно 10 часов пялится на термометр, эта автоматика сама так-же будет отключать-включать отбор по мере роста и падения температуры. На самом деле, это уже серьезное облегчение работы.
Недостатки всё те-же что и у Ручного подхода, кроме 1.2. - не надо постоянно смотреть на термометр.
3. ТЭН и Блок управления мощностью ТЭНа
На данном уровне автоматизации, это как бы пока ещё отдельная часть. Самое время их упомянуть.
Эволюция нагрева:
1. Греть куб на костре, печи, газу (нужное подчеркнуть).
2. Греть на плитке электрической, индукционной (нужное подчеркнуть). Уже можно не так переживать насчет горючести спирта, и утеплить установку хотя бы сверху. Если цифровое табло, то уже можно поставить мощность нагрева ту-же, что и вчера - прогресс. Но, индукционная плита плохо влияет на мужское здоровье, а также на точные датчики.
3. Купить ТЭН и блок управления мощностью. Я это сделал, чуть не купив индукционную плитку, но вовремя одумавшись. По сравнению с плиткой, можно уже утеплять и снизу. Снижает общую высоту установки. Цифровой блок управления мощностью как и на плитке, позволяет четко выставлять мощность. Наличие ТЭНа, открывает путь в высшую лигу автоматизации. Но, нельзя понижать уровень жидкости в кубе ниже ТЭНа.
4. Управление мощностью интегрированное в автоматику. Вот уже блок управления мощностью ТЭНа становится лишним. Про это ниже.
4. Автоматики с верхним датчиком температуры 0,1°C
Это как бы те-же Автоматики узла отбора с её основным недостатком - примесями в продукте, из-за недостатка дискретности 0,1°C для определения расстояния до укрепляющей зоны по верхней температуре. Как правило нет коррекции по давлению. Но исправлены некоторые недостатки по удобству. Практически во всех есть звуковая сигнализация. Также, может быть автоматическое управление ТЭНом, подачей воды, замена банок, аварийки на пролив и отсутствие воды в кране и т.д. Понятно, что это всё за счет увеличение стоимости и неудобства сборки-разборки. Куча блоков и проводов не добавляют и надежности.
5. Автоматики с нижними датчиками температуры 0,1°C
Более современный подход. Ещё не все о нем знают и приняли. Измеряя температуры снизу колонны, контролируют местонахождение укрепляющей зоны, и изменением скорости отбора не дают ей уйти вверх. Температуры по укрепляющей зоне отличаются довольно сильно, и точности 0,1°C достаточно. Таким образом, решают главную задачу - не дают пройти примесям в продукт. Проблема изменяющегося атмосферного давления решается установкой двух термометров, недалеко друг от друга по высоте. Смотрят только на дельту между ними, и поэтому атмосферное давление становится неважным, ведь оно показания с обеих датчиков сдвигает одинаково.
На Рис.4 местами красных ромбиков на правой таблице отмечены места предпочтительной установки датчиков. Сейчас между ними разница 0,5°C, а если зона укрепления поднимется на одну ТТ, то разница увеличится до 6.6°C. Понятно, что пока температура пройдет через металл до датчика, пройдет много времени, поэтому автоматика начинает реагировать при значительно меньшей дельте.
Хорошо, если в такой автоматике также есть регулирование мощности ТЭНа для удержания потока пара в колонну постоянным, по мере увеличения температуры куба.
Преимущества:
- ко всем прочим достоинствам автоматик, наконец-то решена проблема использования всего потенциала колонны для борьбы с примесями.
Недостатки:
- Так и не видны головы при отборе. Отбирать по расчетам.
- Давление между термометрами должно быть постоянным. Если оно будет плавать, то и разница будет меняться. Захлеб, или даже микрозахлеб между термометрами, увеличит дельту и вызовет неправильную работу автоматики. А как правило, именно гильзы для установки термометров и вызывают захлебы в колонне. Поэтому рекомендуется контактная установка снаружи колонны, требующая особенно хорошего утепления.
- Нельзя установить гистерезис регулирования по температуре меньше 0,1°C.
- Датчики не замечают быстрых изменений в колонне из-за инерционности окружающих материалов и своей низкой дискретности.
- По прежнему нет коррекции по давлению других зондов.
6. Автоматика с датчиками температуры 0,001°C
Такие датчики видят процессы там, где о них только предполагают. Этим они сразу открывают целый пласт применения.
Достоинства:
6.1. Коррекция температуры давлением. Если при 0.1°C дискретности, ещё можно как-то обойтись без коррекции давлением, то при 0,001°C она строго обязательна. Тут уже не как повезет, изменения температуры по давлению видно очень отчетливо, и иначе это будет не термометр, а барометр. Так что хоть, дождь, хоть гроза, спиртовая "полка" остается на своем уровне, и колеблется в пределах +-0,003°C из-за шумов совсем другого свойства.
6.1. Как бы хорошо ни была видна зона укрепления снизу колонны, головы по прежнему нужно отбирать по температуре сверху. Высокая дискретность, позволяет это делать не по расчетам (1-3% от абсолютного спирта), а по приборам:
По шкале справа видно, что головы отбирались в диапазоне 78.185°C - 78,257°C. Это разница 0,072°C. Обычный термометр такую разницу зафиксирует, если только попадет границей разряда.
6.2. Как было показано в Табл.1, расстояние до зоны укрепления можно видеть по термометру в верхней части колонны с дискретностью 0,01°C с точностью до 5ТТ. С дискретностью же 0,001°C, это можно делать с точностью лучше 1 ТТ. На рисунке ниже показано, что полный вход зоны укрепления в колонну виден как изменение температуры в отборе на 0,007°C. А поднятие выше на ещё одну ТТ будет видно как дополнительная разница в 0,002°C.
Так что можно получать максимально возможный результат не переделывая места установки термометров на нижнюю часть колонны. Если же используется колонна не стандартной длины в 1м (20-30ТТ), а больше, то конечно на самом верху колонны изменения температуры станут совсем неуловимыми даже для 0,001°C. В этом случае лучше использовать нижнюю установку температурных датчиков.
6.3. Если с термометрами 0,1°C нужно тщательно выбирать нижнее место установки зондов, чтобы изменения уверенно попадали в диапазон 0,1°C, то с 0,001°C, место можно выбирать довольно произвольно. Уж если он видит изменения сверху через 20ТТ, то рядом с зоной укрепления, он её будет видеть отлично.
6.4. Позволяет при регулировании использовать гистерезис меньше 0,1°C. Вот ниже график применения отбора. Автоматика сама скоростью отбора держит указанную температуру в пределах 0,002°C. Для эксперимента, задавались три уровня температуры. Шаг между уровнями - 0,007°C.
Чем меньше гистерезис, тем меньше раскачка системы и стабильней-качественней процесс ректификации.
6.5. Высокая дискретность позволяет замечать быстрые изменения температуры. Пока материал нагреется на 0,1°C для старых датчиков. А этот, практически мгновенно увидит даже пока ещё небольшой нагрев.
Недостатки:
- Зонды не разборные. При такой точности, любое изменение сопротивления даже в винтовых соединениях будут сказываться на замерах. Поэтому все соединения паяные.
- Длина зондов и окружающая ЭМ обстановка сильно влияет на размер помех. При метровом зонде, помехи как правило +-0,003°C. Но это не мешает программой фильтрацией получать вполне ровные графики, с различимыми на глаз нюансами более 0,001°C.
- Недостатки свойственные всем автоматикам. Чем больше функций и датчиков, тем больше проводов и возни со сборкой-разборкой. Усугубляется большой чувствительностью к плохому контакту с датчиками. Даже паяные соединения могут немного менять сопротивление от силового воздействия.
Ну наверное многие уже догадались, что под Автоматикой с дискретностью 0,001°C подразумевается Автоматика Самогоныч. Пока что она в этой категории уникальная. Управляется с компьютера, через блютус. Есть "однокнопочные" режимы полной автоматизации. Основной экран с результатом ректификации:
В базовой комплектации стоит 3,5т.руб. Без ТЭНа, реле и клапанов. Подробнее с характеристиками можно ознакомиться тут: https://forum.homedistiller.ru/index.php?topic=364133.0
Также в этой ветке запечатлена история развития с начала этого года и много результатов экспериментов с графиками.
