Здравствуйте, уважаемые самогонщики!
От автора. Эта статья, как, впрочем и большинство из них, написана в результате осмыслений реальной ситуации, в которой я оказался при проведении одной из перегонок. Перегоняя спирт-сырец на своей ректификационной насадочной колонне, она случайным образом перешла в режим работы, близкий к захлебыванию. Регулируя нагрев, я увидел как в диоптре, расположенном перед узлом отбора в верхней части колонны, кипит поднявшаяся к нему флегма. "Полюбовавшись" увиденным, я задумался: хорошо это или плохо, в том смысле, как это кипение может повлиять на качество продукта. Тогда, в первый раз, я не стал "рисковать" и просто снизил нагрев до уровня, достаточного для дальнейшей перегонки. Со временем, мне удалось выяснить, что это кипение флегмы связано с одним из основных понятий в теории перегонки - ее эффективностью. Именно с этим понятием, мне и хотелось поделиться с вами.
Два слова о предшествующей критике. В комментариях к моим статьям меня обвиняли в излишней "болтологии". Поэтому, преклоняясь перед духом критики, постараюсь быть более лаконичным. Однако, в силу того, что тема эта непростая и достаточно актуальная, придется, все-таки, немного ее "развернуть".
После того, когда мы выяснили при каком градусе продукта наблюдаются его наилучшие питейные свойства, самое время выяснить, как повысить градус продукта на выходе. Другими словами, как увеличить эффективность перегонки.
В этой статье мы рассмотрим также основные режимы работы (бытовой) насадочной колонны и нехитрый способ принудительного перевода ее в наиболее эффективный режим.
Переходя от простейшего самогонного аппарата сначала к бражной, а затем и к ректификационной насадочной колонне, меня всегда интересовали вопросы типа: что такое эффективность перегонки, какова эффективность моего самогонного перегонного аппарата, как ее определить. Ну, и, конечно, от чего она зависит и можно ли ее повысить?
Усовершенствуя аппарат для перегонки, я интуитивно понимал, что тем самым, каким-то чудесным образом, уже повышал эффективность перегонки. А всего лишь, повышал градус на выходе. И самое главное, не только в начале, но и на протяжении всего времени перегонки.
Конечно, повысить градус на выходе, с использованием одного и того же, пусть даже малоэффективного перегонного аппарата, как хорошо известно, можно и путем увеличения числа перегонок на нем. Но, кому это надо? Хотя допускаю, что большая часть самогонщиков пользуют именно такие аппараты и по ныне. И, кстати, за счет чего происходит повышение градуса в простейших дистилляторах?
Начнем с главного: в чем же состоит, и как в теории перегонки определяется ее эффективность? Оказывается, что в самом общем случае
Эффективность перегонки - это степень разделения перегоняемой смеси. При этом эффективность любого перегонного аппарата состоит в его способности разделять перегоняемую смесь. Чем выше разделительная способность перегонного аппарата, тем выше его эффективность.
Небольшое замечание. Не следует путать эффективность перегонного аппарата с его производительностью - количеством основного продукта, получаемому за единицу времени.
Не влезая в теоретические дебри, отметим, что сегодня существует несколько подходов в определении эффективности перегонного аппарата.
Согласно одному из них, эффективность перегонного аппарата - это отношение содержания низкокипящей компоненты в продукте к её содержанию в загрузке или отношение концентраций спирта вверху и внизу колонны.
Расчеты эффективности по такой методике просты. Однако, это определение носит локальный, условный характер, так как определяется рядом конкретных факторов и зависит не только от технологической конструкции самого аппарата, но и от условий перегонки (например, концентрацией спирта в перегоняемой смеси).
Второй метод оценки эффективности, предназначенный для ректификационных колонн тарельчатого и насадочного типов, основан на числе ступеней концентрации, называемых также теоретическими тарелками - эталоном, с которым сравнивается реальная тарелка. Отметим, что этот метод, хотя и достаточно широко распространен, тоже носит условный характер.
Еще один метод оценки эффективности основан на числе единиц переноса - количестве вещества, переданном в аппарате за единицу времени с каждой единицы объема пара на единицу его движущей силы массопередачи. Это число, представляющее собой изменение концентраций достигаемое в колонне и отнесенное к единице движущей силы пара, зависит только от технологической конструкции колонны (диаметра, высоты, конструкцией контактных устройств).
Это, конечно, все уходит в глубокую теорию перегонки. И нам ни к чему туда погружаться. Нам бы как-нибудь попроще объяснить, за счет чего смесь разделяется.
Как хорошо известно, эффективность простой перегонки невысокая и определяется в основном коэффициентом испарения (или фазового равновесия) этилового спирта. Этот коэффициент зависит от содержания спирта в смеси, от температуры (давления) смеси и от свойств самой смеси. По закону фазового равновесия (см. график выше), при любом содержании спирта в смеси (до азеотропной или неразделимой точки 97,2% об) его содержание в паре больше, чем в жидкости. Поэтому в процессе перегонки пар более обогащается спиртом, а жидкость меньше. Таким образом, в результате простой перегонки происходит частичное разделение смеси.
Следует отметить, что какой-то вклад в это разделение вносит и некоторая, всегда присутствующая при перегонке, конденсация паров в кубе и трубопроводе. Эта непредсказуемая конденсация паров, в виде дикой флегмы, так же повышает эффективность простой перегонки.
Для повышения эффективности простой перегонки, то есть, для еще большего разделения смеси, можно применить перегонку с принудительной дефлегмацией. При такой перегонке часть выходящего из перегонного куба пара принудительно конденсируется в специальном теплообменном устройстве - дефлегматоре и возвращается в куб в виде флегмы. При этом часть пара, идущая на дистиллят дополнительно обогащается спиртом, так как концентрация спирта в этой части пара (опять таки по закону фазового равновесия) увеличивается и становится больше, чем в исходном паре.
Перегонка с принудительной дефлегмацией более эффективна, чем простая перегонка - она позволяет произвести еще более глубокое разделение смеси. Несмотря на это, произвести полное разделение на "чистые" компоненты она не позволит, так как по закону фазового равновесия степень этого разделения ограничена.
Вот, поэтому и нужна ректификация - многократно повторяющийся процесс перегонки в противотоке пара и жидкости, позволяющий повысить эффективность перегонки до максимального уровня.
Для любой ректификационной колонны основным действующим элементом, увеличивающим ее эффективность являются контактные устройства, посредством которых и осуществляется массо- и теплообмен между подымающимся вверх паром и стекающей вниз флегмой. В зависимости от вида контактных устройств, массо- и теплообмен может происходить либо ступенчатым образом - в колоннах с тарелками или непрерывным образом - в насадочных колоннах.
Как я уже отмечал выше, у меня колонна насадочная. Эффективность такой колонны определяется эффективностью ее насадок, напрямую зависящей, как от их типа, так и от их размера. Например, крупная насадка обладает большой пропускной способностью, но малоэффективна. Мелкая - наоборот.
Перейдем, наконец, к главному моменту.
Самое интересное, что касается вопроса эффективности насадочной колонны, так это то, что ее эффективность, помимо применяемых насадок, может зависеть еще и от определенных режимов ее работы.
Изучая гидродинамические противоточные движения жидкости и пара в насадочной колонне можно выделить четыре основных режима ее работы.
1. Пленочный режим. Этот режим протекает при малой скорости пара и небольшой плотности орошения насадки. В этом режиме флегма движется по насадке в виде капель, образуя пленку. При этом контакт между паром и жидкостью происходит по поверхности флегмы, смачивающей насадку. Пар в этом режиме движется непрерывным сплошным потоком, заполняя весь свободный от жидкости объем насадки. Сплошная фаза - паровая.
2. Промежуточный режим. Этот режим возникает при увеличении скорости пара и плотности орошения. В этом режиме уже начинает сказываться тормозящее действие пара на жидкий поток флегмы. Пленки и струи, взаимодействуя с паром, заставляют его образовывать вихревые потоки. Сплошная фаза - паровая.
3. Турбулентный режим. Этот режим возникает при такой скорости пара, при которой он начинает препятствовать стоку флегмы, вызывая ее подвисание в насадке. Поток флегмы становится турбулентным. Взаимодействие пара и жидкости происходит на поверхности турбулизованной пленки. Сплошная фаза - паровая.
4. Эмульгационный режим. Этот режим возникает при большой скорости пара и при большой плотности орошения насадки. При этом режиме работы колонны жидкая и паровая фаза, интенсивно перемешиваясь меняются ролями и нельзя точно определить, какая из фаз является сплошной, а какая — диффузной. Как в одной, так и в другой фазах возникают многочисленные вихри.
При дальнейшем увеличении скорости пара наступает момент, когда флегма перестает перемещаться вниз, увлекается потоком пара вверх и выбрасывается из аппарата. Это явление называется «захлебыванием» колонны.
Так вот, оказывается, что режим эмульгирования - наиболее эффективный. Этот факт доказывается в теории перегонки.
Таким образом, то, что я когда-то увидел в диоптре была самая эффективная в разделении смеси эмульсия. В тот раз, получив эмульсию, я абсолютно не понимал, что она собой представляет и вышел из режима эмульгации. Теперь же, я знаю, как перейти в режим принудительного эмульгирования - метод искусственного создания режима эмульгации по всей высоте насадки при любой скорости пара. А также мне известно, что это - самый эффективный способ перегонки в насадочной колонне.
Следует также знать, что при перегонке возможны колебания нагрузки. Поэтому очень важно, чтобы насадка была по возможности менее чувствительна к ним, то есть была более устойчива в работе колонны. Эта устойчивость определяется пределами изменения рабочих нагрузок.
В отличии от тарельчатых колонн, насадочные колонны особенно чувствительны к колебаниям нагрузки, поскольку даже при небольших колебаниях в них резко меняется гидродинамика жидкости и пара и, следовательно, эффективность перегонки.