Ректификационная колонна своими руками. Автоматизация управления флегмовым числом домашней ректификационной колонны

Типовое решение автоматизации. Ректификация относится к основным процессам химической технологии. Целью управления про­цессом является поддержание постоянного состава целевого продукта. В качестве целевого продукта могут выступать как кубовый остаток, так и дистиллят, который далее пока будем считать целевым продуктом. Состав другого продукта при этом может колебаться в определенных пределах вследствие изменения состава ис­ходной смеси.

В качестве объекта управле­ния примем уста­новку для разделения бинарной смеси (рис. 3.1), состоящую из теплообменника для подогрева исходной смеси 1, тарельчатой ректификационной колонны 2, дефлегматора 3 и выносного кипятильника 4.

Ректификационная установка является сложным объектом управления с большим количеством параметров, характеризующих процесс, многочисленными взаимосвязями между ними, распре­деленностью их и т. д. Значительное время запаздывания объекта может приводить в отдельных случаях к тому, что выходные параметры процесса начнут изменяться после изменения параметров сырья лишь через 1–3 ч.

В объекте имеют место такие возмущения, как изменения температуры и состава исходной смеси, а также тепло- и хладоносителей, изменения свойств теплопередающих поверхностей из-за отложения веществ на стенках и т. д. Кроме того, на технологический режим ректификацион­ных колонн, устанавливаемых под открытым небом, влияют ко­лебания температуры атмосферного воздуха.

Показателем эффективности ректификации является состав целевого продукта. Зависимость показателя эффективности от пара­метров процесса может быть получена из уравнения материального ба­ланса и имеет вид

, (3.1)

где С д , С с , С о – концентрация компонента соответственно в дистил­ляте, исходной смеси и остатке; G c , G о – расход соответственно исходной сме­си и остатка. Анализ уравнения показывает, что концентрация С д зависит непосредственно от начальных параметров исходной смеси. С их изменением в процесс могут поступать наиболее сильные возмущения, в частности по каналу состава исходной смеси, так как ее состав определяется предыдущим технологическим процессом.

Расход исходной сме­си G c стабилизируется регулято­ром расхода 1 . Диафрагма и исполнительное устройство этого ре­гулятора должны быть установлены до теплообменника, так как после нагревания смеси теплообменником до температуры кипения поток жидкости может содержать паровую фа­зу, нарушающую работу датчика расхода.

Большое значение для процесса ректификации имеет стабильность темпе­ратуры исходной смеси. Если, например, смесь начинает поступать в колон­ну при температуре меньшей температуры кипения, то она будет охлаждать идущие из нижней части колонны пары и усиливать их конденсацию, что нарушает весь режим процесса ректификации. По­этому температуру исходной смеси стабилизируют изменением расхода теплоносителя через теплообменник с помощью регулятора температуры 3 .

Рассмотрим возможности регулирования режимных парамет­ров верхней (укрепляющей) части ректификационной колонны, которые непосредственно определяют состав дистиллята. Зависимость состава паров, выходящих из укрепляющей ча­сти колонны (а значит, и состава дистиллята), от других пара­метров процесса можно проследить по диаграмме (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Диаграмма температура (t ) – концентрация низкокипящего ком-понента в жидкости (х ) и парах (у )

Анализ диаграммы показывает, что концентрация у (показатель эффективности) определяется концентрацией х , температурой кипения t

жидкости и давлением паров Р над жидкостью. В соответствии с правилом фаз для получения заданной концентрации у з следует поддерживать на определенном значении только два из перечисленных параметров, например давление Р и концентрацию х з .

Давление Р легко стабилизировать изменением расхода пара из колонны. Регулятор давления 6 (см. рис. 3.1) при этом устанавливают на линии хладоносителя, поступающего в дефлегматор, а не на шлемовой трубе, соединяющей верхнюю часть ректификационной колонны с дефлегматором. Это вызвано, в частности, тем, что при дросселировании пара в шлемовой трубе дефлег­матор начинает работать в режиме переменного давления, что неблагоприятно влияет на процесс конденсации.

Стабилизация давления в верхней части колонны необходи­ма не только для поддержания заданного состава целевого продукта, но и для обеспечения нормального гидродинамиче­ского режима колонны. Например, при увеличении давления снижается скорость парового по­тока и производительность установки, а при уменьшении давления мо­жет произойти «захлебывание» колонны, когда восходящий поток пара увлекает за собой стекающую по тарелкам жидкость.

Сравнительно просто регулировать также и концентрацию х изменением расхода флегмы: чем выше этот расход, тем боль­ше низкокипящего компонента будет в жидкости. Регулирующий орган регулятора расхода 4 при этом может быть установлен как на линии флегмы, так и на линии дистиллята, что равноценно. На практике часто изменением рас­хода флегмы регулируют как состав паров, так и непосредственно состав дистиллята. В качестве анализаторов состава в промышлен­ности используют хроматографы и газоанализаторы.

Итак, для достижения цели управления необходимо стабили­зировать давление и состав жидкости в верхней части колонны путем изменения расхода хладоносителя, поступающего в деф­легматор, и расхода флегмы. Качество регулирования этих па­раметров зависит от состава и скорости паров, движущихся из нижней исчерпывающей части колонны и определяемых ее тех­нологическим режимом – главным образом давлением, темпе­ратурой и составом жидкости в кубе колонны.

Необходимость стабилизации давления паров в кубе отпа­дает, поскольку ректификационная колонна обладает хорошо вы­раженными свойствами самовыравнивания по этому параметру. Давление в кубе за несколько минут после регулирования давления в укрепляющей части колонны при­мет определенное значение, несколько превышающее давление вверху колонны.

Этого нельзя сказать о температуре (составе) жидкости в кубе (как и в верхней части колонны, в кубе, кроме давления, достаточно регулировать лишь один параметр). Изменение рас­хода флегмы с целью регулирования второго параметра приво­дит к изменению параметров в кубе колонны лишь через не­сколько часов. В связи с этим для поддержания нормального режима в кубе возникает необходимость независимого регули­рования одного из этих параметров. Обычно стабилизируют температуру, поскольку, с одной стороны, датчик температуры значительно проще и надежнее, чем анализаторы состава, а с другой стороны, если целевым продуктом является дистиллят, то требования к технологическому режиму в нижней части колонны менее жесткие, чем в верхней.

Регулирующие воздействия в нижней части колонны могут осуществляться изменением расходов кубового остатка и тепло­носителя, подаваемого в кипятильник. Если учесть, что один из них, а именно расход остатка следует использовать для под­держания материального баланса, т. е. для стабилизации уровня жидкости в кубе (регулятор уровня 5 ), то единственно возможным регулирующим воз­действием остается изменение расхода теплоносителя через кипятильник с помощью регулятора температуры 2 .

Таким образом, если целевым продуктом является дистил­лят, то для достижения цели управления необходимы следующие регуляторы: расхода исходной смеси - 1, температуры исходной смеси - 3, давления в верхней части колонны - 6, состава жидкости в верхней части ко­лонны - 4, температуры - 2 и уровня жидкости в кубе - 5.

Контролю под­лежат : расход исходной смеси, дистиллята, флегмы, остатка, тепло- и хладоносителей; состав и температура конечных про­дуктов; температура исходной смеси, тепло- и хладоносителя; уровень в кубе колонны; температура по высоте колонны, дав­ления в верхней и нижней частях колонны, а также перепад этих давлений.

Сигнализации подлежат значительные отклонения от заданных значений состава целевого продукта, уровня и давления в колонне. При давлении в колонне выше допустимого, а также при прекращении поступления исходной смеси автоматические устройства защиты должны отключить ректи­фикационную установку. При этом магистрали теплоносителей, остатка и дистиллята перекрываются, а магистрали хладоноси­теля и флегмы полностью открываются.

Регулирование процесса при использовании кубового остат­ка в качестве целевого продукта. Кубовый остаток используют в качестве целевого продукта не реже, чем дистиллят. В этих случаях более жесткие требования предъявляют к поддержанию технологического режима в нижней части колонны, поэто­му в кубе колонны устанавли­вают датчик состава, а в верх­ней части – датчик температу­ры. Остальные узлы регулиро­вания типовой схемы остаются неизменными.

Регулирование параметров на контрольных тарелках. При большом числе тарелок восстановление нарушенного режима колонны из-за значительного запаздывания происходит лишь спустя длительный промежуток времени. В этом случае удобнее использовать в качестве регулируемой величины состав фракции на промежуточной тарелке, который изменяется значительно быстрее и сильнее (в 20–60 раз), чем состав продукта на выходе колонны.

Состав конечных продуктов при скачкообразном изменении расхода флегмы (рис. 3.3) изменяется слабо, поскольку кривые 1 и 2 почти совпадают вблизи крайних точек. В тоже время на средних контрольных тарелках исчерпывающей (точки А 1 и А 2) и укрепляющей (точки Б 1 и Б 2) частей колонны изменения состава значительны, где и следует устанавливать датчики соста­ва. Заметим, что все сказанное в отношении состава продуктов справедливо и для температур.

Регулирование процесса отбора промежуточной фракции. При ректификации многокомпонентных смесей ряд компонентов может отбираться из промежуточной части колонны в ви­де пара. Пар конденсируется в дефлегматоре, а конденсат возвращается в колонну и час­тично отбирается в виде одного из целевых продуктов.

Для обеспечения заданного состава промежуточной фрак­ции на тарелке ее отбора необходимо поддерживать постоянный состав или температуру жидкости (постоянство дав­ления пара над тарелкой поддерживается регулятором давле­ния верхней части колонны). Наиболее часто регулирующее воздействие осуществ­ляется изменением расхода промежуточной фракции, возвра­щаемой в колонну.

Регулирование температуры. Температура в колонне обла­дает значительно меньшим запаздыванием, чем состав. К тому же датчики температуры проще и надежнее. Поэтому, если к чистоте целевого продукта не предъявляются очень высокие требования, то расход флегмы (или теплоносителя в кипятиль­ник) регулируется не по составу, а по температуре в верхней (нижней) части колонны.

Если возмущения в колонну будут поступать по многим ка­налам (с изменением параметров исходной смеси, теплоносите­лей, хладоносителей и т. д.), то улучшения качества регулиро­вания составов целевых продуктов добиваются стабилизацией перепада температур на двух рядом лежащих контрольных та­релках, так как перепад температур в среднем быстрее будет реагировать на возмущения, чем температура.

Регулирование физико-химических переменных целевых про­дуктов. При разделении многокомпонентных смесей находят применение регуляторы физико-химических переменных целевых продуктов. Такими переменными могут являться плотность продукта, его температура вспышки, парциаль­ное давление паров, температура кипения, начало и конец кипения и др. Особенно предпочтительны приборы, выходной сигнал которых пропорционален разности значений параметра для продукта и эталона и может быть непосредствен­но использован в схеме регулирования.

На рис. 3.4 показан, в частности, узел регулирования со­става по разности температур кипения продукта и эталонной жидкости при постоянном давлении в исчерпывающей части ко­лонны.

В куб колонны непрерывно подается небольшое количество насыщенных паров эталонной жидкости – кубового остатка за­данного состава. В камере 3 они конденсируются; температура их измеряется термопарой. Другой термопарой измеряется тем­пература кипящей жидкости в колонне. Термопары соединены по дифференциальной схеме, и разность их термо-ЭДС подается на регулирующий прибор. Равенство давле­ний в кубе колонны и в камере 3 должно обеспечиваться малой длиной и достаточно большим диаметром (10–15 мм) соединительной трубки.

Регулирование давления в верхней части колонны. Типовой метод регулирования давления изменением расхода хладоносителя, подаваемого в дефлегматор, связан с большим запаздыванием, поэтому нашли применение и другие способы регули­рования (рис. 3.5).

Если в парах, выходящих из верхней части колонны, содер­жатся неконденсирующиеся в дефлегматоре компоненты, то при­меняют схему регулирования давления сбросом этих компонен­тов из сепаратора. Роль сепаратора может играть и флегмовая емкость (рис. 3.5 а). Она обеспечивает запас флегмы, необхо­димый для стабилизации состава дистиллята при значительных возмущениях. Для поддержания материального баланса в этой емкости следует регулировать уровень изменением расхода дистиллята. Стабилизация уровня, кроме того, обеспечивает по­стоянное гидростатическое давление перед клапаном на линии флегмы, а следовательно, улучшает качество регулирования состава.

Рис. 3.5. Схемы регулирования давления в верхней части колонны:

1 – колонна; 2 – дефлегматор; 3 – емкость; 4 – эжектор

Для регулирования давления используют метод байпасирования (рис. 3.5 б). В этом случае часть паров из колонны (до 10 %) перепускается помимо дефлегматора во флегмовую емкость и конденсируется там. Если запаздывание в системе регулирования давления надо свести к минимальному значению, то дроссе­лируют пары, выходящие из колонны. Оба способа требуют использования крупногабаритных паровых регулирующих орга­нов, что является их недостатком.

В случае полного отсутствия неконденсирующихся паров применяется метод регулирования давления изменением вели­чины поверхности конденсации в дефлегматоре. При уменьше­нии давления в колонне регулятор давления прикрывает кла­пан на линии слива конденсата из дефлегматора. При этом уро­вень конденсата повышается, поверхность конденсации уменьша­ется, и давление принимает заданное значение.

Если конденсация паров в дефлегматоре осуществляется за счет испарения хладагентов (аммиака, фреона и т. п.), то улучшение качества регулирования давления может быть до­стигнуто изменением расхода отводимых из дефлегматора па­ров хладагента. Это приводит к быстрому изменению давления и температуры кипения хладагента и, следовательно, интен­сивности испарения. Расход жидкого хладагента может из­меряться или по уровню в дефлегматоре (рис. 3.5 в), или по перегреву паров с помощью терморегулирующего вентиля.

Разрежение в вакуумных колоннах обычно регулируется из­менением подачи воздуха или инертного газа в линию между дефлегматором и паровым (водяным) эжектором (рис. 3.5 г).

Необходимо заметить, что, если возможны сильные измене­ния расхода хладоносителя, подаваемого в дефлегматор, во всех приведенных выше схемах наряду с узлом регулирования давления следует предусмотреть узел стабилизации расхода хладоносителя.

Каскадно-связанное регулирование. Ректификационные ко­лонны являются объектами управления с большими запаздыва­ниями, поэтому возмущения успевают существенно изменить режим всей колонны прежде, чем изменится состав целевых продуктов и начнется их компенсация основными регулятора­ми схемы. Улучшения качества управления процессом можно добиться введением дополнительных контуров регулирования.

Каскадно-связанное регулирование почти всегда применяют при регулировании состава конечных продуктов, что объясня­ется невысокой надежностью анализаторов состава. В качестве вспомогательного параметра при регулировании состава в верх­ней части колонны (или на контрольной тарелке) используют расход флегмы (рис. 3.6 а).

Рис. 3.6. Схемы регулирования состава дистиллята с помощью многоконтурных систем регулирования: 1 – колонна; 2 – дефлегматор

Если регулируют состав дистилля­та, то вспомогательным параметром лучше брать температуру на контрольной тарелке. Можно использовать и трехконтурную систему (рис. 3.6 б), в которой первым вспомогательным кон­туром будет регулятор температуры, а вторым – регулятор расхода.

Регулирование процесса в колонне с дефлегматором и кон­денсатором. Если температуры кипения компонентов смеси близки, конденсация паров, выходящих из колонны, осуществляется раздельно. В дефлегматоре конденсируется только вы­сококипящий компонент, конденсат отделяется в сепараторе от парожидкостной смеси и возвращается в колонну.

Пары низко­кипящего компонента проходят через дефлегматор и затем конденсируются в конденсаторе.

Чтобы в дефлегматоре конденсировался только вы­сококипящий компонент, необходимо поддерживать на опреде­ленном уровне температуру парожидкостной смеси, выходящей из дефлегматора. Для этого устанавливают регулятор темпера­туры (рис. 3.7), воздействующий на расход хладоносителя, подаваемого в дефлегматор. Давление в колонне стабилизируется путем изменения расхода хладоносителя в конденсаторе.

Регулирование процесса экстрактивной ректификации. Осо­бенностью данного вида ректификации является введение в верхнюю часть колонны растворителя, снижающего парциаль­ное давление одного из компонентов. Растворитель должен по­даваться в строгом соотношении с расходом исходной смеси, так как в противном случае происходит или неоправданное увеличение нагрузки колонны или же некачественное разделе­ние компонентов смеси. Для поддержания соотношения рас­ходов исходной смеси и растворителя устанавливают регулятор. Остальные узлы регулирования экстракционной колонны и колонны регенерации растворителя аналогичны таковым в ранее рассмотренных схемах.

Итак, давайте разберем процесс ректификации, происходящий в колонне. В различных источниках в интернете я находил только два вида вариантов описания процесса ректификации. Первые описывали все кратко и без раскрытия сути, типа: «Ставите колонну на куб, включаете нагрев, и спирт начинает вытекать». Вторые обычно изобиловали специфическими терминами и графиками настолько, что без научной степени и не разберешься что там происходит. Возьму на себя смелость попробовать объяснить на пальцах, так сказать…

Колонна должна устанавливаться вертикально на , к которому подведен нагрев. Если будет значительное смещение от вертикальной линии, то технологический процесс пойдет неправильно и качество конечного продукта заметно снизится. Жидкость закипает, и пар начинает проходить в колонну. В средней части конструкции находится узел отбора, а ещё выше – холодильник, задачей которого является охлаждение пара и отправка его обратно в куб. На своем пути пар встретится с флегмой (стекающим конденсатом) и в результате контакта между ними легкая составляющая флегмы перейдет в пар, а тяжелая, наоборот, во флегму. Так образуется конечный продукт процесса. Вот так вкратце выглядит ректификация, теперь попробуем подробно рассмотреть каждый этап.

Как проходит процесс ректификации

Итак, для ректификации мы используем уже не , а непосредственно самогон. Ну, качественный самогон конечно для ректификации мало кто использует — для этого берут либо «хвосты», которые нормальный самогонщик не выливает, либо же для ректификации используют самогон, который получился не слишком удачным по вкусу, прозрачности, другим органолептическим характеристикам. Использовать самогон для ректификации вместо браги нужно потому, что самогон уже в результате перегонки очищается от многочисленных примесей, имеющихся в браге, и если использовать брагу, то бражная пена при закипании будет выбрасываться в колонну, что доставит существенные проблемы при промывке аппарата.

Залит в куб, колонна установлена, начинаем нагрев. При закипании пар идёт вверх в колонну. Проходит нижнюю часть царги, заполненную контактными элементами, и поднимается в дефлегматор, где конденсируется на охлаждаемых водяной рубашкой стенках во флегму, и стекает вниз. Узел отбора пока пропустим, вернемся к нему позже. Итак, наша флегма проходит узел отбора и попадает в нижнюю часть колонны, где стекает по нашим нарезанным мочалкам назад в куб. И вот здесь и происходит то самое таинство, которое лежит в основе процесса ректификации — тепломассообмен. Чтобы не запутаться самому в описании происходящих физических процессов, попробую максимально упростить.

Итак, в нижней части колонны встречаются спиртосодержащий пар, идущий по колонне вверх, и спиртосодержащая жидкость — флегма — стекающая вниз. Пар с жидкостью взаимодействуют на поверхности контактных элементов, и в результате этого взаимодействия пар забирает спирт из жидкости, и возносится выше еще более спиртосонасыщенным, а флегма с минимальным остаточным содержанием спирта стекает назад в куб. Поскольку, взаимодействие происходит непосредственно на поверхности контактных элементов, мы и заполняли колонну мочалками. Сначала в ректификационных установках в качестве таких элементов использовались детали из нержавейки, напоминающие по форме тарелки. Они были расположены одна над другой, и на них пар проходил (пробулькивал) через слой жидкости. Но сейчас повсеместно используются ректификационные колонны небольшого размера, и применение таких тарелок из-за конструктивной сложности оказалось нецелесообразным. Поэтому наполняют обычно элементами, которые имеют большую развитую поверхность. В качестве них могут выступить различные сетки, колечки, шарики и пружинки.

Схема ректификационной колонны

Особенности конструкции ректификационной колонны

Теперь коснемся такого элемента ректификационной колонны, как трубка связи с атмосферой, которая у нас расположена в самом верху. У многих возникает вопрос — а не будет ли спиртосодержащий пар банально выходить через нее в атмосферу? Так вот, если колонна сконструирована правильно, никаких потерь не будет — трубка служит для уравновешивания давления. Во время разогрева емкости с жидкостью для ректификации, через эту трубку будет уходить воздух из колонны и куба, что позволит образующимся парам спирта, пройдя через колонну, достичь дефлегматора. И если воздух не будет иметь выхода и спиртовые пары не смогут свободно двигаться через колонну, тогда взрыв куба, не оборудованного клапаном, будет неизбежен. Во время работы установки, при правильном температурном режиме спиртовой пар будет стремиться к холодному охладителю, а не в трубку.

В этом процессе спиртовые пары будут конденсироваться в дефлегматоре, и в результате этого там возникнут перепады давления. Трубка будет компенсировать эти перепады давления во избежание нарушений стабильной работы установки. Именно поэтому связующая трубка должна обязательно быть подключена к дефлегматору, а не к другому элементу ректификационной установки. При стабильности процесса воздух из колонны слегка движется по этой трубке туда и обратно. Некоторые особо жадные ректификаторы устанавливают на трубку небольшой обратный холодильник. Такой шаг поможет собрать ещё несколько грамм спирта, которые все-таки могут попасть наружу. Подключаться трубка связи с атмосферой должна к самой верхней точке дефлегматора. Это нужно для того, чтобы все пары спирта, поступающие в дефлегматор, могли конденсироваться именно в нём, и не выходить через трубку в атмосферу. Расстояние от трубки до входа в дефлегматор должно быть максимальным.

Узел отбора в ректификационной колонне

Теперь узел отбора. Как видно на картинке, узел отбора представляет собой небольшой бортик, препятствующий свободному стеканию флегмы вниз. Соответственно часть флегмы задерживается на этом бортике, и при открытом узле отбора уходит в холодильник, превращаясь в искомый дистиллят, а остальная флегма стекает дальше вниз на очередной процесс тепломассообмена в нижней части колонны. Соотношение между отбираемым дистиллятом и расходом возвращаемой флегмы называется флегмовым числом, оно устанавливается в промышленных установках с помощью крана отбора, а здесь эту роль играет зажим от капельницы. Чем оно выше, тем более чистый спирт будет поступать в приемник.

При полностью перекрытом зажиме это число будет близко к бесконечности. Так что при начале работы колонны зажим должен быть закрыт, и только когда пройдя несколько раз через контактные элементы в дефлегматоре будет циркулировать максимально насыщенный спиртом пар, нужно начинать отбор дистиллята. Здесь не получится установить точные временные рамки начала отбора, здесь нет , которые могут отличаться характерным запахом, так что определить момент начала отбора можно только опытно-экспериментальным путем.

Иногда может произойти такое неприятное явление, как захлеб ректификационной колонны, его можно узнать по сильному булькающему шуму внутри работающей конструкции. Тогда флегма, поступающая из дефлегматора, будет скапливаться в нём, а не проходить в куб. Обычно причинами захлеба служат слишком большая мощность нагрева, конструктивные ошибки или избыточное количество мочалок.

Часто возникает вопрос, что лучше ректификационная колонна или самогонный аппарат. Сторонников каждого аппарата много, но однозначно имея РК можно получать и хороший самогон, а наоборот не получится. Ректификация позволяет получить из спирта сырца (самогона) чистый спирт крепостью 96-98°. Органолептика у хорошего спирта практически отсутствует, запаха сырья нет, использовать чистый продукт можно для производства домашних водок и всяких наливок, настоек. В домашних условиях получить такой продукт можно используя миниспиртзавод. Домашний миниспиртзавод сегодня довольно просто приобрести в специализированных магазинах. Так же реально сделать самостоятельно настоящую ректификационную колонну своими руками.

Кроме технических навыков вы должны знать принцип работы этого устройства, как работает ректификационная колонна. Для получения спирта применяются насадочные колонны, они имеют небольшие габариты, легко умещаются по высоте в условиях обычной квартиры. Производительность такого устройства достигает 300-1000 мл в час, что вполне достаточно для домашних нужд.

Ректификационная колонна – принцип работы. В качестве насадки для колонны используют различные материалы нейтральные к действию спирта – стекло, нержавеющая сталь, керамика. Основное свойство всех насадок заключается в смачивании и удержании флегмы на своей поверхности. То есть пары спирта из перегонного куба устремляясь вверх по колонне конденсируются наверху и возвращаются вниз стекая по насадке. Происходит обмен компонентами, спирты поднимаются вверх по колонне, а вода и более тяжелые примеси стекают обратно в перегонный куб. Когда стабильная ректификационная колонна входит в рабочий режим, наступает баланс между поступлением пара и отбором спирта. В колонне стабилизируется температура и во время всего процесса ректификации она держится на одном уровнен не превышая 0,1-0,3 градусов. Поддержать такой режим удается хорошим утеплением колонны, подачи определенной для каждой колонны мощности и поддерживая необходимое давление в системе

Устройство ректификационной колонны

Как сделать ректификационную колонну волнует многих домашних винокуров. А ведь небольшой миниспиртзавод для дома можно сделать самостоятельно, намного сэкономив при покупке готового комплекта. Сумма буде в 2-3 раза меньше если вы решите сделать ректификационную колонну самодельную. Все детали, как устроена ректификационная колонна и чертеж подробно описаны ниже.

Каждый домашний миниспиртзавод состоит из:

1. Перегонный куб;
2. Царга;
3. Насадка;
4. Узел отбора;
5. Дефлегматор;
6. Холодильник;
7. Царга пастеризации (опционально);
8. Автоматика.

Чертеж схема ректификационной колонны

Перегонный куб. По другому испарительный куб,в него заливается сырец(самогон) для ректификации. Куб также является прочным основанием для колонны, вес колонны с насадкой достаточно велик. Для домашнего использования обычно используется емкость 15-50 литров. Куб может быть универсальным подходящим для перегона браги и спирта, в этом случае целесообразно использовать большую емкость 30-50 литров. При изготовлении куба часто используются пивные кеги из «нержавейки» на 30 и 50 литров или пищевые котлы. Емкость должна быть оборудована нагревательным элементом, в качестве которого используется ТЭН или два ТЭНа мощностью 1-3 кВт. В качестве источника нагрева можно использовать электоро или индукционную плитку с возможностью регулировки мощность нагрева. На кубе устанавливается термометр для внутреннего контроля кубовой жидкости. Для уменьшения тепло потерь, рекомендуется утеплить куб снаружи.

Царга. Главная, основная часть любой ректификационной колонны. Все процессы протекают именно в ней. Колонну к домашнему миниспиртзаводу можно собрать из нескольких соединенных частей (царг). Соединения всех царг лучше сделать при помощи молочных муфт или кламп соединений. Такая система получится универсальной и может использоваться как бражная колонна для самогона и миниспиртзавод. Для царги используется труба из пищевой нержавеющей стали внутренним диаметром 25-60 мм.

Ректификационная колонна для самогонного аппарата, на которой производят спирт НДРФ (недоректификат крепостью 94-95°) может быть сделана из меди. Диаметр колонны необходимо подобрать ориентировочно 25мм – 0,5кВт, 32мм – 1кВт, 38мм-1,5кВт, 50мм – 2,5кВт. Длина насадочной части ректификационной колонны должна составлять 30-50 диаметров, т.е. если внутренний диаметр трубы 50 мм, то высота должна быть 1500 – 2500 мм. Чем выше колонна, тем лучше происходит в ней обмен пара и жидкости, а в итоге чище спирт. Толщина стенки желательно не больше 1 мм.

Колонне необходима тщательная теплоизоляция. Хорошо зарекомендовал себя утеплитель для труб, также царгу можно утеплить другими методами, намотав шпагат на трубу, замотав сверху фольгированным скотчем. Чем лучше будет выполнена термоизоляции тем стабильнее будет работать колонна. В 20-30 см от низа насадки нужно сделать посадочное место для термометра.

Сделать это можно припаяв трубочку необходимого диаметра к царге. Либо вварить гильзу под датчик или термометр. Нержавейку и качественного сварщика аргонщика не всегда найти, поэтому ректификационную колонну для спирта можно спаять из медных фитингов. Ректификационная колонна из фитингов сантехники своими руками паяется очень просто, подобрать их легко в специализированных магазинах.

Насадка. На сегодня наиболее качественной насадкой считаются СПН (спирально-призматическая насадка). Она изготавливается из нержавеющей или нихромовой проволоки, которая не должна вступать в реакцию со спиртом и другими продуктами перегона.
Цена насадки высокая, но при желании ее легко намотать самостоятельно. Для того чтобы насадка держалась в трубе, внизу царги впаивается крестовина из нержавеющего электрода для сварка, на него укладывается 2-3 см путанки из проволоки (нихром). Сверху не плотно засыпается насадка СПН и поверх вставляется еще один проволочный пыж.

Второй по эффективности насадкой можно назвать РПН – насадка панченкова, она представляет собой сетку из проволоки, смотанной в пыжи диаметром вашей трубы. Есть еще керамические кольца рашига, стеклянные шарики. Самая простая насадка это мочалки из нержавейки, но эффективность такого наполнителя очень низкая. Для трубы длиной 1,3 метра диаметром 35 мм понадобится 16-18 шт. мочалок.

Дефлегматор с узлом отбора РК. Дефлегматор венчает верхнюю часть рек.колонны. В него поступают пары спирта и конденсируются, превращаясь в жидкую флегму. Часть жидкой флегмы возвращается по насадке вниз, а часть через узел отбора выводится наружу. Конструкция дефлегматора может быть разной. Самым простым в изготовлении считается рубашечный или прямоточный дефлегматор. Сделан он из двух труб разного диаметра, между которыми циркулирует вода для охлаждения. Вода подается снизу, сверху выходит теплая вода. Внешний корпус такого дефлегматора можно сделать из обычного термоса.Диаметр внутренней трубы обычно делают таким же как и насадочная колонна. В верхней части любого дефлегматора находится ТСА – трубка связи с атмосферой.

Еще один вариант- дефлегматор димрота. Он представляет собой отрезок трубы (продолжение царги) в середине которой расположенная спираль из тонкой трубки диаметром 6-10 мм по которой циркулирует охлаждающая жидкость. Для колонны диаметром 50 мм димрот наматывается из трубки 6 мм длиной 3 метра. Дефлегматор получается длиной 25-35 см. Такая конструкция имеет большую площадь соприкосновения пара и жидкости и считается эффективней.

И третий вариант – дефлегматор кожухотрубный. В трубу большого диаметра вварены несколько тонких трубок в которых происходит конденсация паров. Плюсом такого устройства является универсальность, он может работать и как холодильник дистиллятора. Второе преимущество такого типа – малый расход воды и большая площадь охлаждения. Кожухотрубник можно сделать наклонным, что уменьшает высоту колонны, актуально для домашнего миниспиртзавода в квартирах с низкими потолками.

Под дефлегматором выше насадочной части находится узел отбора дистиллята в ректификационной колонне. Обычно его конструкция состоит из одной или двух перегородок и трубки отбора спирта. Перегородки под наклоном ввариваются или впаиваются в царгу. На трубку отбора устанавливается игольчатый кран с тонкой регулировкой или зажим гофмана, для ограничения или увеличения отбора фракций.

Царга пастеризации. Царга пастеризации позволяет более качественно очистить товарный спирт от головных фракций. Которые образуются в верхней части ректификационной колонны и дефлегматоре на протяжении всего процесса ректификации. Царга пастеризации спирта усложняет конструкцию ректификационной колонны и может не устанавливать как отдельный элемент, но она позволяет улучшить качество спирта ощутимо. Медленный отбор голов ведется и вовремя отбора спирта ректификата из царги пастеризации.

Холодильник. Спирт на выходе течет горячий и что бы его охладить после узла отбора и крана устанавливается дополнительный холодильник (до охладитель). Можно приобрести готовый стеклянный холодильник в магазинах «мед техника».
Либо изготовить самодельный холодильник из трубок как рубашечный дефлегматор, но с меньшими размерами. Длина холодильника примерно равна длине дефлегматора или чуть длиннее. Вода сначала поступает в нижний вход холодильника, затем с верхнего идет на дефлегматор. Регулируя краном поток воды добиваются нужных показателей.

Автоматика для ректификационной колонны. Сложный процесс ректификации требует постоянного присутствия и наблюдения.
Хорошая автоматика дает возможность производить ректификацию, без постоянного участия человека в процессе. Она не допускает попадания “хвостов” в товарный спирт, позволяет отоборать головные фракции в отдельную емкость. Блок управления ректификацией, сокращенно (БУР), включит воду для охлаждения при нужной температуре, снизит мощность при отборе и уменьшит автоматически отбор в конце. После отбора хвостов выключит нагрев и воду. Простейший вариант автоматизации установка старт стопа с клапаном, который прекращает отбор при повышении температуры в колонне, после стабилизации температуры, отбор возобновляется. Собрать автоматику для домашнего миниспиртзавода дешевле из китайских комплектующих или приобрести на профильных форумах.

Хоть сто раз произнеси «халва», а во рту слаще не станет. Эта старая восточная мудрость натолкнула меня на мысль о том, что слова лучше подкреплять делами и я сделал т.с. опытно-промышленную модель МБРК (модульной бражно-ректификационной колонны).

Собственно ничего нового, просто все выполнено в металле, опробовано в боевой обстановке, произведен небольшой анализ и сделаны выводы.

Итак, по порядку.

1. Ипостась первая — Бражная колонна. На иллюстрации видно как это выглядит в натуре. На куб установлена короткая и совершенно пустая царга из нержавеющей трубы наружным диаметром 38мм. Выполнена она таким образом, чтобы снизу была резьба 1 дюйм, а сверху фланец под 1,5 дюймовый кламп. Так мне было удобнее для размещения на «фруктово-зерновом» кубе для работы с паром. Разумеется присоединительные части могут быть любыми другими. На царгу через кламп соединение установлен дефлегматор типа «клюшка» с утилизационной мощностью по воде 3 кВт (после сборки гонял на воде с целью помыть и выяснить основные характеристики). В качестве сырья использовался «бурбонный» затор из кукурузы (потому и пар).
При первом перегоне не ставилась задача отогнать на максимальной мощности (я с паром всегда работаю на мощности около 2 кВт, иногда меньше), скорость первичной обработки и так приемлимая. Но, в данном случае я подгонял мощностные характеристики под медную БК с паровым отбором на 22 трубе. Весь процесс, включая разгон парогенератора и самого куба, занял порядка 3 часов. Через три часа на выходе было получено примерно 5 литров 45% СС. Отгонял без дробления до полного нуля в струе. Выход, конечно, не ахти — что поделаешь, это вам не сахар.
Контроль температуры осуществлялся по температуре в кубе. Выход под термометр на дефе был заглушен.

2. Ипостась вторая — Ректификационная колонна. К использованной в первом опыте системе была добавлена метровая царга с насадкой СПН 3,5мм. Царга утеплена и поставлена между пустой царгой и дефлегматором. На иллюстрации не показано, но на практике я нижнюю пустую царгу также «утеплил», обмотав полотенцем. Вообще-то, она совершенно не нужна при ректификации, но мне не хотелось делать специальный переходник для куба и я использовал эту царгу в качестве переходника. В деф установлен термодатчик. Нагрев осуществлялся ТЭНом через регулятор. Подбор точных режимов для колонны в данном опыте целью не ставился, поэтому я остановился на практически первых приемлимых показателях. При работе колонны «на себя» был подобран режим подачи мощности на уровне примерно 1200 Вт (при подаче большей мощности колонна начинала слегка вибрировать), затем колонна была остановлена и также опытным путем для нее был подобран дозатор отбора в режиме головы. Для этого внутрь трубки отбора (см. основную иллюстрацию в начале статьи, пункт 5) была вставлена тонкая игла от обычного шприца. Можно попробовать инсулиновый шприц, но у меня не было под рукой и я использовал самую тонкую от простого 2мл шприца. Она позволила отбирать на уровне 100 мл/час (впоследствии была заменена на более толстую с отбором 130 мл/час).
Когда головы были отобраны полностью (по органолептике — «на нюх»), колонна опять была остановлена для подбора дозатора режима «отбор тела». За не имением широкого выбора игл, была сделана заглушка из фторопласта (материал абсолютно инертный к нашим продуктам), в которой тонким сверлом проделано отверстие. Попробовав несколько диаметров (выбор также был не особо широким), остановился на жиклере, обеспечивавшем около 700 мл/час. После этого возобновил отбор и, контролируя температуру в дефлегматоре и кубе и периодически проверяя крепость отбора, отобрал тело (и хвосты тоже на этом режиме — по окончании отбора тела весь отбор хвостов занял около часа, хотя можно переключиться на трубку без заглушки и отобрать по-быстрому).
В качестве сырья использовались голово-хвосты от разных экспериментов в количестве примерно 8 литров 70% крепости. Получено 4,5 литра продукта крепостью 97, примерно 450 мл голов и около 300мл хвостов. Голов получилось так много из-за того, что исходник изначально был с повышенным содержанием вредностей.

3. Ипостась первая (часть вторая) — Бражная колонна. В ходе экспериментов с ректификацией был опробован «жиклер», давший величину отбора в районе 2,1 л/час при крепости отбора 94,5%. Я не гонял систему на этом режиме долго, чтобы выяснить стабильность показателей, но как видите, НДРФ из такой колонны выходит довольно легко и в приемлимом (сравнимом с БК) количестве.

Наблюдения. Во-первых, работать с колонной довольно просто. Я специально дал более-менее подробное описание действий с ней для того, чтобы вы могли хотя бы приблизительно представить себе как примерно это должно происходить при первом запуске. В дальнейшем вы подберете подходящие режимы и промежуточные регулировки станут не нужными. Во-вторых, мощности малого доохладителя вполне достаточно для работы в режиме РК и категорически мало для режима БК. А точнее, он не справляется с надежным охлаждением при отборе больше 1,5 л/час. В-третьих, при осмотре пустой царги после перегона зернового затора, в ней не было остатков дробины или иных загрязнителей и полученный СС был совершенно прозрачным, т.е. свою функцию защиты от брызгоуноса такая царга выполняет надежно.

Выводы.
Подобная конструкция, конечно, более функциональна, чем просто БК из меди с паровым отбором. Полностью ее перекрывая в дистилляционных моментах, она может еще и ректифицировать.
И, конечно, она гораздо сложнее в изготовлении. Если вы обладаете навыками ТИГ сварки, слесарки и должным набором материалов и вспомогательного инструмента — сделать МБРК из нержавейки вполне по силам. Впрочем и из меди подобную конструкцию также вполне можно изготовить.
Что касается затратной части. Если исключить из расчетов необходимость обладания оборудованием и навыками работы с ним, то после последнего подорожания меди — себестоимость такой конструкции из нержавейки близка к аналогичной медной (медные трубы диаметров 35 и более сильно кусаются как и фитинги для них) или ниже.
Еще немного поэкспериментирую с этой конструкцией и переброшусь на перевертыши, не нравится мне ситуация с доохладителем при прямой дистилляции. Если кто-то захочет приобрести данный комплект (можно и с доработкой под ваши нужды) за весьма сходную цену — стучитесь в почту [email protected]