- -
- 100%
- +
В описанной ниже конструкции перегонного аппарата проблема толков при кипении решена следующим образом. Во-первых, дно и прилегающие к нему вертикальные стенки бака подвергнуты изнутри пескоструйной обработке, которая в домашних условиях может быть с успехом заменена на обработку не очень мелкозернистой шкуркой – достаточно просто затереть до матового состояния гладкую поверхность нержавеющей стали, которая получается после прокатки листа. Такая обработка создаёт на поверхности нагрева микрорельеф, необходимый для увеличения адсорбции газов. Во-вторых, на дно бака помещают 4—5 шт. специальных «кипелок».
Для изготовления «кипелки» из листовой нержавеющей стали толщиной 0,3—0,4 мм. вырезается кружок диаметром 35—40 мм. Кружок помещают на подходящий брусок дерева, желательно из древесины твёрдых пород, и на нём при помощи не очень острого керна набивают три углубления. Они располагаются примерно в 5—7 мм. от края кружка так, чтобы угол между соседними углублениями составлял примерно 120о. Не сдвигая кружок с места, его рихтуют молотком, чтобы восстановить плоскость, а затем замеряют высоту выступа на обратной стороне – вместе с толщиной кружка она должна составлять 1,5—2,0 мм. Затем кружок переворачивают и с обратной стороны накернивают ещё три углубления так, чтобы они были сдвинуты относительно углублений на другой стороне примерно на 60о, и, не сдвигая кружок с места, снова его рихтуют для восстановления плоскости. Изготовленная таким способом «кипелка», представляет собой что-то вроде трёхногого столика с ножками по обеим сторонам столешницы (рис.1).
Рис.1. Конструкция «кипелки», используемой для перегонки.
Как бы такую «кипелку» не бросали в бак, она всегда падает на три ножки одной или другой стороной, обеспечивая перегрев жидкости в малом объёме, заключённом между дном перегонного аппарата и нижней поверхностью стоящей на выступах «кипелки». Кроме того, «кипелки» такой конструкции просты в изготовлении, легко моются и занимают незначительную часть площади дна бака, не препятствуя тепловому потоку. При перегонке непрерывное и равномерное позвякивание таких «кипелок» о дно аппарата указывает на то, что режим нагрева выбран правильно. По мере испарения из куба низкокипящего компонента – спирта позвякивание «кипелок» затихает и одновременно уменьшается скорость перегонки. Для её восстановления необходимо несколько увеличить интенсивность нагрева куба. При этом удобно ориентироваться на звук позвякивающих «кипелок».
Если для изготовления «кипелок» использовать достаточно чистую листовую медь (не менее 9999), то «кипелки» одновременно могут выполнить ещё одну функцию – способствовать очистке дистиллята от сернистых соединений [69]. Эти соединения возникают виноматериале в процессе естественного брожения и придают тухлый запах дистилляту после первой перегонки. Если количество сернистых соединений в дистилляте достаточно велико, то медные «кипелки» после второй перегонки покроются тёмным налётом, содержащим серу. Однако в дистилляте, полученном перегонкой виноградного вина или настоя на виноградных выжимках, этот эффект не наблюдается. Более того, диоксид серы часто добавляют в виноградные вина для предотвращения их скисания в количестве от 160 мг/л в красные вина до 400 мг/л в сладкие белые [70]. Но использование нелужёной меди в конструкции дистилляторов имеет и отрицательные стороны, о чём будет сказано в главе 6.
Кроме гидравлических ударов и толчков ещё одним осложнением, возникающим при кипении жидкости, является вспенивание. Поднимающиеся на поверхность жидкости пузырьки пара самопроизвольно лопаются. Однако, при наличии в жидкости (особенно на её поверхности) взвешенных частиц органических соединений и при высоких темпах нагрева пузырьки не успевают лопаться и образуют пену, забивающую перегонный аппарат. Это обстоятельство необходимо учитывать при выборе интенсивности нагрева бака, особенно на первой стадии дробной перегонки, когда перегоняемая жидкость содержит множество органических остатков от брожения.
Есть ещё один специфический момент, который необходимо учитывать при конструировании перегонного аппарата. Он заключается в том, что всплывший на поверхность кипящей жидкости газовый пузырёк лопается с образованием мельчайших капель. Эти капли при подходящих условиях, таких как высокие скорости пара и малое расстояние от поверхности кипящей жидкости, могут увлекаться в выводное устройство и загрязнять отгон продуктами из бака.
Скорость потока пара на входе в холодильник перегонного аппарата можно приблизительно оценить, предположив, что в его кубе кипит чистая вода – такая ситуация имеет место на последних этапах первой перегонки. Исходя из реальной скорости перегонки 15 мл/мин – при больших скоростях в аппарате описанной ниже конструкции происходит интенсивное пенообразование, и плотности воды на выходе из холодильника 0,998 г/мл при 20оС [71], получаем скорость выхода дистиллята в г/мин равную 14,97 г/мин. Такое же количество воды, только в виде насыщенного водяного пара, должно поступать в минуту на вход холодильника. Плотность водяного пара при 100оС составляет 0,598х10—3 г/мл, т.е. на вход холодильника для получения 14,97 г дистиллята должно поступать в минуту 25 литров водяного пара60. Это достаточно большая скорость, при которой пар может подхватывать капли кипящей в кубе жидкости и заносить их в холодильник при первой перегонке. Поэтому в аппарате должен быть предусмотрен каплеотражатель.
Ниже будет приведена конструкция эффективного каплеотражателя с кулисой, в которой поток пара дважды меняет направление движения на 180о.
Ознакомившись с протекающими в перегонном аппарате процессами испарения, кипения, вспенивания и каплеобразования, перейдём к другим – дистилляции и ректификации.
Глава 5. Дистилляция и ректификация
Как было отмечено выше, термин дистилляция происходит от латинского слова, означающего буквально «стекание каплями». Однако позднее под ним стали понимать простую перегонку – однократное испарение жидкости, нагреваемой в перегонном сосуде (кубе) и конденсации её паров в холодильнике.
При кипении жидкости одного состава поступающий в холодильник пар имеет тот же состав, что и жидкость в кубе, а при конденсации пара в холодильнике снова получается исходная жидкость. Простую перегонку применяют для очистки жидкости одного состава от растворённых в ней солей и взвешенных твёрдых частиц. Например, при получении дистиллированной воды из водопроводной для кислотного автомобильного аккумулятора или для разбавления выдержанного в дубовой бочке коньячного спирта при производстве коньяка.
Если перегонке подвергается однородная смесь жидкостей, кипящих при разных температурах и не образующих друг с другом непрерывно кипящих смесей61, то такой процесс подчиняется закону фазового равновесия в системе жидкость-пар, открытому учеником Д.И.Менделеева Дмитрием Петровичем Коноваловым (1856—1929 гг.): пар обогащён тем компонентом, прибавление которого к жидкости понижает температуру её кипения [31]. Применительно к перегонке спиртосодержащих водных растворов это означает, что при кипении жидкости её насыщенный пар будет обогащён спиртом, что хорошо видно из диаграммы фазового равновесия в системе этиловый спирт—пар, приведённой на рис.2 [32]. Кривые для жидкости – водного раствора спирта и находящегося в равновесии с ней её насыщенного пара представляют собой геометрическое место точек, соответствующих температурам, при которых жидкость находится в точке закипания, а пар – в точке конденсации. Диаграмма показывает, что жидкость, содержащая, например, 10% спирта, закипает при температуре 91,5оС, а в её паре при этом будет содержаться 53% спирта. Но это, так сказать, мгновенные значения. На самом деле доведённая до состояния кипения спиртосодержащая жидкость начнёт терять спирт в результате его испарения и температура кипения жидкости начнёт увеличиваться. Если подводимого тепла достаточно для поддержания кипения, весь спирт из жидкости перейдёт в холодильник. В кубе останется одна вода.
Рис. 2. Диаграмма фазового равновесия в системе этиловый спирт-вода
На практике, если перегонять смесь из 10 мл. спирта и 90 мл. воды, то первые 40 мл. перегнанной жидкости – первая фракция будет содержать весь спирт, находившийся в перегоняемой смеси, т.е. первая фракция перегоняемой жидкости будет содержать 25% спирта. При повторной перегонке этих 40 мл. весь спирт будет содержаться в первых 20 мл. отгона, а его концентрация будет соответственно равна 50%. Повторяя эту процедуру некоторое число раз, можно полностью разделить водный раствор спирта на воду и азеотропную смесь спирта с водой, т.е. 95,6% спирт. Такой способ разделения смеси жидких веществ с различающимися в чистом виде температурами кипения называется дробной перегонкой.
Существуют два типа дробной перегонки:
1). Последовательная многократная дробная перегонка.
2). Точная дробная перегонка, осуществляемая в одну операцию – ректификация (этот термин встречается ещё в работах М.В.Ломоносова62).
В первом случае при перегонке смеси нескольких жидких веществ с различными температурами кипения поступают следующим образом. Смесь перегоняют, отбирая фракции в заранее намеченных температурных интервалах или в температурных интервалах, разделённых промежутками, в которых значительно изменяется температура жидкости (или её паров) в перегонном кубе. Затем каждую фракцию перегоняют ещё и ещё раз, отделяя после каждой перегонки головную и хвостовую часть так, чтобы, в конце концов, жидкость в кубе кипела и испарялась в холодильник при постоянной температуре. Постоянная температура кипения жидкости до полного испарения свидетельствует о её чистоте.
Для увеличения эффективности процесса разделения смеси при дробной перегонке и, следовательно, для уменьшения числа перегонок, в лабораторных условиях широко используют дефлегматоры. Они изготавливаются из термостойкого стекла и бывают различных конструкций. На практике хорошо зарекомендовал себя так называемый ёлочный дефлегматор. Он представляет собой тонкостенную стеклянную трубку диаметром 15—20 мм, внутрь которой после разогрева и размягчения стекла при помощи подходящего инструмента отформованы группы игл по 4 шт. на одном уровне по диаметру трубки (рис. 3 а). При этом иглы нижнего ряда направлены остриями вверх, а иглы в ряду над ними – остриями вниз. Оба ряда игл повёрнуты относительно друг друга примерно на 45 градусов, чтобы иглы двух соседних рядов сходились к центру трубки.
К другим относительно простым конструкциям дефлегматоров относится дефлегматор с насадкой (рис.3б). Он представляет собой стеклянную трубку несколько большего диаметра, чем у ёлочного дефлегматора, в которую насыпаны контактные элементы, например, обрезки спирали в 1—3 витка из нержавеющей или нихромовой проволоки диаметром 0,2—0,3 мм или из тонкой стеклянной нити. Диаметр спирали составляет 2—4 мм. По сравнению с ёлочным дефлегматором
насыпной имеет существенно большую массу и требует значительно большего времени на разогрев.
Сущность работы дефлегматоров заключается в следующем. Проходящий через дефлегматор пар содержит низкокипящий легко летучий компонент – спирт и высококипящий менее летучий компонент – воду. Вследствие охлаждения в дефлегматоре, пар частично конденсируется и его температура понижается. Как видно из рис.2, при понижении температуры пара содержание в нём низкокипящего компонента – спирта возрастает. А в конденсате или в так называемой флегме происходит возрастание концентрации высококипящего компонента – воды и она стекает вниз. Таким образом, в дефлегматоре в результате встречного движения двух контактирующих потоков происходит теплообмен и массообмен. Восходящие потоки пара непрерывно обогащаются легко летучим низкокипящим компонентом – спиртом, а стекающая вниз флегма – менее летучим высококипящим компонентом водой. При этом флегма на пути к кубу непрерывно разогревается встречным потоком пара, в результате чего из неё улетучивается спирт. Эффективность обмена компонентами между жидкой и паровой фазой в первую очередь определяется величиной площади поверхности, на которой происходит взаимодействие и разделение фаз, для чего, собственно, нужны иглы и насадки.
При прочих равных условиях эффективность разделения смеси зависит также и от времени взаимодействия фаз, т.е. от скорости потока пара через дефлегматор (или ректификационную колонку). Влияние скорости перегонки на эффективность разделения компонентов жидкой смеси можно уяснить из рис. 4 [31], на котором приведены кривые, характеризующие процесс перегонки 10 мл смеси равных объёмов метилового спирта и воды63 при разных скоростях отгонки с применением одной и той же колонки. Из рис. 4 видно, что с увеличением скорости отгонки эффективность разделения смеси существенно ухудшается. Это проявляется в том, что сокращается длина горизонтальной части кривых, означающих, что дистиллят выходит при относительно постоянной температуре, а выход промежуточной фракции, содержащей оба компонента – увеличивается. Таким образом, в режиме перегонки 1 дистиллят содержит большее количество воды, чем в режиме 3., т.е. смесь разделена хуже.
Примерно также будут выглядеть кривые перегонки для различных конструкций перегонных устройств, отличающихся эффективностью разделения смеси. Чем выше эффективность разделения смеси, тем круче будет восходящий участок кривой от температуры кипения низкокипящего компонента до температуры кипения высококипящего, т.е. тем меньше будет объём промежуточной фракции. Эффективность работы дефлегматора можно увеличить, установив в верхней его части холодильник-конденсатор для частичной конденсации пара. Образующаяся при этом из низкокипящего компонента жидкость будет производить орошение насадки (или игл), улучшая контакт между жидкостью и паром, что способствует лучшему разделению смеси. Например, конденсатор, установленный на ёлочный дефлегматор высотой 52 см, увеличивает эффективность разделения смеси в 2 раза, и в 3 раза у более короткого дефлегматора высотой 20 см [36].
Однако дефлегматоры имеют не очень большую эффективность. Поэтому для перегонки смесей жидкостей, имеющих относительно близкие температуры кипения, ими можно пользоваться только при многократной дробной перегонке, что приводит к некоторым потерям перегоняемого вещества [31].
Рис. 4. Эффективность разделения смеси метиловый спирт-вода при различных скоростях перегонки: 1 – 0,5 мл/мин; 2 – 0,3 мл/мин; 3 – 0,2 мл/мин
Другой тип дробной перегонки – ректификация, преследует цель объединить в одном приборе (ректификационной колонке) в одну операцию столько отдельных процессов перегонки, сколько необходимо для полного разделения смеси. Для этого в ректификационной колонке должен быть создан последовательный ряд фазовых равновесий между стекающей обратно флегмой и поднимающимся вверх паром в условиях постепенного понижения температуры по высоте колонки (как и в дефлегматоре). При этих условиях высококипящий компонент будет всё время частично конденсироваться из паровой фазы, а низкокипящий будет частично испаряться из флегмы. В результате пар (или флегма), находящийся в верхней части колонки, в зависимости от её эффективности будет максимально обогащён низкокипящим компонентом, а жидкость в кубе максимально обогащена высококипящим компонентом. Лучше всего уяснить себе этот процесс на примере работы промышленной тарельчатой ректификационной колонны, схема которой приведена на рис.5.
Колонна состоит из куба 1, в котором подвергаемая перегонке жидкость разогревается до кипения, собственно колонны 2, конденсатора 3 и холодильника 4. Конструктивно конденсатор 3 является таким же холодильником, как и холодильник 4, и служит для полной или частичной конденсации поступающего в него пара для орошения конденсатом колонны. Колонна 2 представляет собой цилиндр, в котором друг над другом расположены днища, называемые тарелками. На каждой тарелке задерживается некоторое количество флегмы, избыток которой сливается на лежащую ниже тарелку через сливную трубу 5. Высота края сливной трубы над поверхностью тарелки определяет количество задерживаемой на тарелке флегмы. Горловины отверстий в центре каждой тарелки подняты до уровня кромки сливной трубы и закрыты колпаками 6
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «Литрес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию на Литрес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.
Примечания
1
Одновременно Синод запретил рождественскую ёлку как католическую затею, а решением правительства Санкт-Петербург был переименован в Петроград [62]. Позднее всё свалили на большевиков.
2
К слову сказать, сам Алексей Иванович Рыков водкой своего имени далеко не пренебрегал [65].
3
«Автором» водки крепостью 40о было российское правительство. В 1860 г. Государственный Совет ввёл акцизную систему взимания налога, при которой величина налога прямо зависела от содержания спирта в напитках и их крепость стала жёстко регламентироваться. Тут же выяснилось, что крепость водки на пути от производителя к потребителю понижалась, причём далеко не всегда в силу естественных причин. В 1886 г. постановлением правительства было определено, что «крепость вина, водок и других питей, получаемых из вина и спирта, в продаже не должна быть ниже: в губерниях великороссийских, Ставропольской и сибирских для продажи питей из заводских подвалов и оптовых складов – сорока градусов, а из мест раздробительной продажи тридцати восьми градусов» (журнал «Санкт-Петербургский университет», №4, 13.02.1998 г.).
4
В 1943 г. в разгар Великой Отечественной войны И.В.Сталин распорядился построить Московский завод шампанских вин, чтобы было с чем отпраздновать победу над гитлеровской Германией [3].
5
2 Не церемонились и с пьющей публикой. До горбачёвской «перестройки» при всех районных отделениях милиции существовали медвытрезвители, куда милиционеры и дружинники из числа гражданских лиц принудительно доставляли перепивших граждан. Пьяного раздевали до нижнего белья, при необходимости протрезвляли под холодным душем и оставляли отсыпаться на топчане под простынёй или тонким одеялом. В 1960—65 г.г. постоянных посетителей вытрезвителя или особо буйных могли постричь наголо, а женщинам машинкой выстричь на голове полосу от лба к затылку. За попадание в вытрезвитель полагался штраф и сообщение на работу, что грозило крупными неприятностями вплоть до увольнения по решению товарищеского суда.
6
Отдельные рецидивы, конечно, были и неизбежны в будущем. Так в конце июля 2012 г. телеканал РЕН ТВ показал, как полицейские накрыли в Москве подпольный цех по производству виски. Четверо таджиков, один из которых со сломанной ногой продолжал закупоривать бутылки даже в присутствии полиции, разливали по бутылкам спирт неизвестного происхождения, разбавленный водопроводной водой, а для колера добавляли битумную мастику (!), которой покрывают днища автомобилей от коррозии. И это не только чисто российская беда. Так в середине сентября 2012 г. 25 человек в Чехии и 4 в Польше насмерть отравились крепким алкогольным напитком, содержащим метиловый спирт. А в декабре 2014 г. в Англии (Англии!!!) было создано специальное секретное отделение полиции для борьбы с поставщиками контрафактного алкоголя, чтобы чопорные, но прижимистые английские джентльмены не травились на дармовщинку смесью порошкового виноградного сока, низкопробного этилового спирта и синтетической лимонной кислоты, которую им всучивали по сходной цене оборотистые парни из Восточной Европы под видом элитного французского вина.
7
Газета «Известия» в номере от 24.11.2010 г. вновь подтвердила эту цифру.
8
До 1940 г. водку изготавливали только из зерновых культур. Сегодня 95% водки производят из спирта «Люкс», при получении которого используют до 35% картофеля.
9
Окончательно форма пол-литровой водочной бутылки установилась в России примерно к 1928 году. Она обладает свойством «золотого сечения», т.е. определённым, приятным для глаза соотношением диаметров горлышка и цилиндрической части к высоте, позволяющим наблюдателю охватывать её одним взглядом с расстояния наполовину вытянутой руки, т.е. за столом. Кроме того, диаметр цилиндрической части был выбран так, чтобы бутылка удобно и надёжно удерживалась одной рукой человека средней комплекции. Кроме пол-литровых бутылок, водку разливали в бутылочки той же формы, но пропорционально уменьшенные в размерах до объёма в 250, 125 и 60 мл, которые в народе любовно называли, соответственно, чекушкой (четвертинкой), шкаликом и мерзавчиком. В СССР одно время продавались красочно оформленные подарочные наборы таких мерзавчиков из 10 шт. с водкой разных сортов.
10
Из этих 4-х типов спирта сегодня умудряются выпускать больше 5-ти тысяч сортов водки, тогда как в позднем СССР было всего 15. И ведь хватало! И бутылки были стандартными, чем обеспечивалось многократное их использование.
11
Для получения синтетического спирта смесь газообразного этилена с водяным паром пропускают под давлением 65—75 атм. при 280—300оС над катализатором. В свою очередь, этилен получают дегидрированием и пиролизом (при 800оС) дешёвой этан-пропановой смеси, добываемой из попутных нефтяных газов. Нефти у нас много – была бы хорошая вода, чтобы разбавить весь этот суррогат. Кстати, и с чистой водой ситуация становится всё более напряжённой. Неслучайно на бутылках всё чаще пишут «вода исправленная».
12
Вообще-то для того, чтобы в России обанкротился винокуренный завод, нужны события чрезвычайного характера. Так из-за экономического спада, последовавшего за первой русской революцией, в 1907 г. в Новониколаевске (Новосибирске) разорились отец и дед будущего президента США Р. Никсона, снабжавшие водкой с построенного ещё его прадедом завода чуть ли не всю Западную Сибирь [52,стр.77].
13
Обычный телевизор в это время представлял собой громоздкий ящик с размерами примерно 60х60х70 см.
14
На практике выход спирта ещё ниже из-за расходования сахара на размножение дрожжей и образование побочных продуктов брожения, включая сивушные масла. Часть спирта теряется в виде уходящих в атмосферу паров при брожении и перегонке. Считается, что брожение и перегонка произведены удовлетворительно, если из 1 кг сахара получился 1л 40о водки.
15
В 2011—2014 г.г. самогонные аппараты, в т.ч. и весьма оригинальных конструкций и по приемлемой цене, стали продавать чуть ли не в булочных. Но кто мог знать об этом в 1999 году?!
16
Дистилляция – от лат. distillation – стекание каплями – разделение жидких смесей на различающиеся по составу фракции. Простая дистилляция – перегонка жидкости из нагреваемого герметичного сосуда (куба) в холодильник (конденсор).
17
Задолго до этого ещё в VIII веке алхимик Гебер получил крепкую уксусную кислоту путём дистилляции сырого виноградного уксуса.
18
Во Франции винный спирт из виноградного вина впервые получил врач-алхимик из Прованса Арно де Вильнёв в 1334 г. и пропагандировал его в качестве целительного средства [4].
19
В 2009 г. каждый россиянин, включая грудных младенцев, выхлебал по данным Главного санитарного врача РФ Г. Онищенко по 18 литров этого «флогистона», тогда как в начале «перестройки» в 1987 г. только по 3,9 литра. Видимо цифра 18 л. чистого спирта на человека сильно завышена. Скорее всего, кому-то очень уж хотелось унизить свою родину, а желающих оплевать Россию у нас всегда хватало, начиная с А. И. Герцена [52, стр.96] и кончая пакостниками в Интернете. О том, что «русское пьянство» – всего лишь миф, рассказал хорошо известный Анатолий Вассерман [75]: «В середине 19-го века (когда Герцен в Лондоне дубасил в свой „Колокол“, расшатывая основы российской государственности) в Нидерландах любой документ, подписанный после 1500, считался недействительным, потому что предполагалось, что к этому моменту добропорядочный нидерландский бюргер так пьян, что подпишет, не глядя, даже собственный смертный приговор. …А в России в имперские времена купец, за год набравший в сумме больше трёх недель запоя, признавался недееспособным и его имущество передавалось опекуну до полного излечения от алкоголизма».