Почему невозможно получить дистиллят на колонне. Объяснение.
В ноябре 2025 года был на фестивале домашнего крепкого алкоголя ЛенГранСтакан. В фестивале принимало участие более 130 винокуров. И всего несколько частников получали дистилляты БЕЗ использования колонны. При этом ВСЕ участники утверждали, что они делают исключительно домашний ДИСТИЛЛЯТ. А возможно ли получить дистиллят на аппарате с колонной? В чем разница дистиллята, полученного на «дедушкином аппарате», и продукта, полученного на аппарате колонного типа?
Для того что бы понять разницу между дистиллятом, полученным на дедушкином аппарате, и продуктом, полученным на аппарате с колонной, предлагаю разобраться в теории дистилляции.
На рисунке приведен классический график фазовой диаграммы этанол-вода в простом варианте.
Основные понятия.
Края графика ограничены «стаканом».
Дно «стакана» это содержание воды и этанола от 0 до 100%. Левая стенка стакана это 100% этанола. Правая стенка это 100% воды. Концентрации воды и этанола изменяются на встречу друг другу. Сумма концентраций «вода + этанол» в каждой точке равна 100%.
Вертикальные стенки стакана это температура в градусах Цельсия. На одной высоте с обоих сторон одна и та же температура. Например, 78С на левой стенке будет находиться на том же уровне что и на правой.
Этанол кипит при 78С. Вода кипит при 100С. Точки отложены на разных стенках. 100% этанола = 78С – левая стенка - начало графика. 100% воды равно 100С – правая стенка – конец графика.
Линии кипения и конденсации. Точки кипения этанола и воды соединяют две синих линии – нижняя синяя линия кипения смесей. Предположим на оси Х (дне) мы взяли смесь, содержащую 40% этанола – точка 1: схема дистилляции через точку 1 обозначена кружочками. Смесь нагревается от комнатной температуры до температуры кипения. Это красная вертикальная линия 40%. Смесь закипает в точке 1. Температура кипения 83.1С. Теплу взяться НЕ откуда, поэтому образуется пар, той же температуры что и кипящая смесь/брага (зеленая линия). На рисунке мы видим вторую/верхнюю синюю линию. Это линия конденсации. При температуре 83,1С насыщенный пар этанол-вода имеет концентрацию 74,6% этанола (пересечение зеленой линии и линии конденсации). Если этот пар попадет в холодильник, то он конденсируется именно с концентрацией 74,6% этанола. Общая схема процесса дистилляции для точки 1 выглядит так. Взяли смесь, содержащую 40% этанола и 60% воды. Нагрели до кипения это 83,1С. Испарили. Получили пар с температурой 83,1С. Пар охладили - получили жидкую смесь 74.6% этанола и 25.4% воды. Так работает дистилляция 40% раствора этанола.
Если 40% смесь разбавим в два раза получим смесь, содержащую 20% этанола. Это схема дистилляции через точку 3. Она обозначена прямоугольниками. Нагреваем смесь от комнатной температуры до кипения. Смесь, содержащая 20% этанола кипит при 87,0С. Пар имеет температуру кипения равную 87,0С. Насыщенный пар при температуре 87,0 С содержит 65% этанола. При охлаждении пара от кипящей смеси содержащей 20% этанола получим жидкость, содержащую 65% этанола.
Аналогичная схема дистилляции смеси 2 – обозначена звездочками - содержащей 30% этанола и кипящей при 84,7С. Смесь с 30% этанола при дистилляции даст жидкость, содержащую 71,3% этанола.
Резюмируя. Если взять смесь этанол-вода произвольного содержания (точка на оси Х), на линии кипения ей будет соответствовать точная температура закипания. Этой температуре закипания соответствует точная концентрация насыщенного пара, который и будет осаждаться. Моментальное значение концентрации часто измеряют попугаем.
PS Точные значения концентрация жидкости – температура кипения – концентрация пара можно найти в таблицах например на сайтах винокуров. Понять смысл схемы проще на картинке, работать проще с таблицей.
Процесс дистилляции
Точка старта . Например, мы берем смесь (спирт сырец), содержащую 40% этанола, согласно диаграмме она закипает при 83,1С. Примеси, кипящие при температуре ниже 83,1С, попадают в головную фракцию до начала кипения. Допустим от начала кипения мы отбираем 5% спирта как головную фракцию. Далее идёт тело. Таким образом, в случае старта с точки 1 - 40% этанола отбор тела начинается от 84,0С. Если мы берём случай старта с точки 3 - 20% этанола, то смесь закипает при 87,0С. Все примеси, кипящие ниже 87,0С попадут в головную фракцию попадают до начала кипения. После начала кипения и отбора 5% в головную фракцию температура кипения будет уже 88,0С. И отбор тела в этом случае начнётся от 88,0С. Таким образом мы видим, что в случае старта с точки 1 отбор тела начинается от 84,0С, а в случае старта с точки 3 отбор тела начинается от 88,0С. Т.е. фактически тело получится разное, хотя реальное различие перегоняемой смеси состоит только в разведении Спирта Сырца водой в два раза.
Точка финиша. Часто в литературе можно встретить рекомендацию останавливать вторую перегонку на 40% этанола в струе. Рассмотрим этот вариант. Это точка 4 на графике. Точке 4 соответствует нагрев до 94,5С и остаток в кубе содержащий 5,5% этанола. Все примеси кипящие выше температуры 94,5 С остаются в кубе и НЕ отбираются в тело.
Глядя на линию кипения, мы видим, что процесс перегонки состоит из трех частей.
1) до точки старта (голова);
2) от точки старта до точки финиша (тело, сердце);
3) после точки финиша (хвосты).
1-й отрезок - голова. Всё что кипит/летит до точки старта это головы. В головы так же попадает первая часть перегона после закипания. За точку старта могут быть взяты точки 1 - 40%, 2 – 30%, 3 – 20% этанола в зависимости от желания винокура. Однако, разные точки старта дадут разный состав головных примесей. В одном случае примеси попадут в голову, в другом случае эти же примеси попадут в тело. Это при условии одинаковой изначальной смеси. А если смеси были разными (Спирт Сырец с разных браг), то отбор голов становится намного более сложной задачей.
3-й отрезок -хвосты. Возьмём сразу третий отрезок, как наиболее понятный. Это хвосты. Для точки финиша в нашем случае взята точка 4 – 40% этанола, в хвосты попадают все примеси, кипящие выше 94,5С. В этой точке мы прекращаем отбор тела и завершаем перегонку. Хвосты остаются в кубе вместе с 5,5% раствором этанола. При этом точка финиша, как и точка старта может задаваться винокуром. Например, можно взять: 35%, 30%, 25% этанола в струе или по температуре соответственно 95,4С, 96,1С, 97,2С. В случае точек финиша на 35%, 30%, 25% этанола дополнительная часть хвостовых примесей попадёт в тело. Т.е. увеличиваем отбор этанола – увеличиваем количество примесей.
2-й отрезок. Тело. Тело гонится от точки старта - 1 (2,3) - до точки финиша 4. Фактически начало и конец процесса (точки 1 и 4) задаёт винокур. Но есть общие для всех вариантов правила. Если старт взят в точке 1 - 40%, происходит постепенное выкипание этанола. Сначала до 39%, потом до 38%, потом до 37% и так постепенно двигаемся к точке 2 – 30% этанола. После точки 2 - 30% выкипание этанола идет дальше до 29%, потом до 28% этанола и постепенно через точку 3 двигаемся к финишу. Смысл состоит в том, что, закипев в точке 1 – 83,1С, смесь будет плавно повышать температуру кипения до 100С или пока мы её не остановим в точке финиша. Фактически смесь пройдет КАЖДУЮ температуру кипения выше 83,1С. Если мы начинаем отбирать тело при 84С, то все примеси, кипящие при температурах выше 84С попадут в тело. Длительность процесса дистилляции более 15С по температуре: от 83.1С до 100С. Длинна процесса в градусах Цельсия – важная величина. Об этом позже. Примеси, кипящие внутри диапазона перегонки тела, являются естественными составляющими тела!!! Это как раз и есть полезные примеси, сохранение которых является одной из целей дистилляции. Все головные примеси ушли до точки старта. Хвостовые примеси останутся в кубе после остановки процесса и тоже НЕ попадают в тело. Таким образом примеси разделены на три части: головные, полезные (в составе тела), хвостовые. Ядовитые примеси отрезаются в виде голов и хвостов, а полезные примеси собираются внутри перегонки тела.
Перегонка на аппарате с колонной
Колонна настраивается таким образом, что бы изменение температуры во время перегонки было менее 1,0С. Процесс перегонки в этом случае представляет собой тоже самое разбиение на три отрезка: голова, тело, хвосты. Однако, если в случае дистилляции диапазон перегонки тела более 15С, то в случае колонны, между точкой старта и точкой финиша – менее 1,0С. По сути перегонка на колонне - это перегонка в одной точке фазовой диаграммы с небольшими допусками на погрешность стабилизации процесса. Важно, что внутри колонны идёт процесс массобмена, которого НЕТ при дистилляции. В результате массобмена порядок выхода примесей по сравнению с дистилляцией изменяется. Для того что бы понять какие примеси, за какими будут вылетать при ректификации необходимо использовать Коэффициенты Ректификации (КРЕКТы). Формулы расчёта для КРЕКТов включают массовую долю рассчитываемого компонента. Вы можете назвать массовые доли плохих и хороших примесей в вашей браге? А поименно? Доля метанола – 0,XY%, доля изоамилола – 0,ZQ%, доля пропанола – 0,РО% и т.д. ?.. Тогда КАК вы рассчитываете порядок выхода примесей? Собственно, винокуру, использующему колонну примеси разделять НЕ надо – винокур их выбрасывает.
Сравнение дистилляции и перегонки на колонне
Для упрощения давайте назовём перегонку на колонне ректификацией. Фактически в колонне самогонного аппарата идёт не-до-ректификация, но учёт тонкостей вариантов ректификации только отвлекает от сути этой статьи. Оба процесса – ректификация и дистилляция - являются перегонкой. Оба процесса состоят из трех этапов: отбор головной фракции, отбор тела (точка старта), удаление хвостов (точка финиша). На этом сходство процессов ректификации и дистилляции заканчивается.
Различие процессов дистилляции и ректификации состоит в:
- целях, поставленных перед исполнением процесса;
- средствах достижения поставленных целей.
Целью дистилляции является извлечение основной пищевой составляющей (сердца) в составе водно-этанольной смеси. Дистилляция производится в температурном диапазоне более 15С. Ранее в статьях я писал аналогию с банкой соленых огурцов. В этой аналогии целью дистилляции является «отлов огурцов». Для «отлова огурцов» из банки нормально использовать дуршлаг. У дуршлага есть особенности. 1) Это «грубый фильтр». Т.е. пользуясь грубым фильтром «можно наловить» много «НЕ огурцов». 2) Прежде чем «отлавливать огурцы», мы должны понять: а то откуда мы «огурцы ловим» ловим вообще съедобно? Для случая перегонки надо себя спросить: «готов ли я пить ЭТУ брагу? Или лучше выбрать более сильный способ очистки?» В случае, если мы готовы пить взятую для перегонки брагу и сопутка из браги нас НЕ пугает (например, брага из чистого яблочного сока - по сути сидр) дистилляция это подходящий метод.
Целью ректификации является извлечение максимально чистого этанола. Для ректификации НЕ важно качество браги, а важно содержание этанола. Ректификация производится в температурном диапазоне менее 1,0С, т.е. ведется фактически в одной точке фазовой диаграммы. В аналогии с банкой солёных огурцов это извлечение соли из всего комплекса, находящегося в банке. Ректификация является «точной» очисткой. Точная очистка выделит именно соль с небольшим допуском. Или в случае ректификации выделит именно этанол с минимумом примесей. Результат ректификации почти НЕ зависит от качества исходного сырья (браги). Ректификация НЕ рассматривает сохранение пищевых примесей браги, как цель переработки/перегонки. Поэтому примеси выкидываются, для чего выделяются в две основные группы: головную – выход до этанола - и хвостовую –выход после этанола. Ректификация НЕ предусматривает выделения полезных примесей как отдельной группы. Поэтому известный в ректификации приём «подпустить ароматов», по сути означает «добавить хвостовых ядов» в продукт перегонки.
Вывод
Дистилляция – метод переработки пищевого сырья для извлечения наиболее полезной составляющей совместно с этанолом (по типу изготовления сливок из молока). Дистилляция предусматривает разделение примесей на три части: головные, пищевые и хвостовые, с добавлением пищевых примесей в продукт перегона и удалением вредных примесей из напитка. Ректификация – метод извлечения этилового спирта из сырья любого качества. Ректификация предусматривает разделение примесей на две части: головные и хвостовые. В хорошем варианте ректификации получается химически чистый реактив С2Н5ОН с минимальным количеством примесей (смотри ГОСТ 5962). На колонне получить дистиллят НЕВОЗМОЖНО, т.к. ректификация НЕ предусматривает сбор пищевых примесей из браги, как отдельной составляющей конечного напитка. Т.е. перегонка на колонне, это отдельное современное искусство очистки этанола, НЕ связанное с классической дистилляцией и НЕ имеющее ничего общего с изготовлением таких напитков как: коньяк, виски, кальвадос, русские дворянские водки и т.д.