Паровой и жидкостный отбор в колонне

Сравнительный анализ трех схем отбора, которые используются в домашних бражных и ректификационных колонах. Рассмотрены характеристики, преимущества и недостатки, а также применимость в различных вариантах дистилляции. Каждому методу соответствует свой тип оборудования.

Чтобы успешно работать с колонной, нужно регулировать флегмовое число. Для этого существует три метода:

CM (cool managment) – управление расходом воды, подаваемой на охлаждение дефлегматора;
LM (liquid managment) – управление количеством отбираемой флегмы (отбор по жидкости);
VM (vapor managment) – управление количеством отбираемого пара (отбор по пару).

Способы управления ректификационной колонной
Прежде чем начать разговор о видах отбора, определимся с терминами.

Дистилляция – процесс испарения жидкости с последующей конденсацией.

Если изначально сырье испарили из перегонного куба, затем сконденсировали его в холодильнике (конденсоре), то чтобы ни происходило посредине этого процесса (проход пара через сухопарник, барботёр или дефлегматор), в конечном итоге всё равно получится дистиллят.

Ректификация – это один из методов дистилляции, который отличают два технологических приема:

Принудительный, строго регулируемый по величине возврат флегмы с помощью специальных устройств – дефлегматоров или конденсоров.

Организован тепломассобмен между флегмой и поднимающимся навстречу паром. Для повышения эффективности тепломассобмена используют насадку или тарельчатые колонны, где происходит переиспарение флегмы. В первом случае процесс носит пленочный характер, во втором – барботажный.

Целью ректификации является получение спирта заданной крепости и его очистка от примесей. Для этого флегмовое число должно всегда быть выше минимального (подробнее на графике).

Качество продукта зависит от величины флегмового числа, но чем оно выше, тем ниже производительность колонны.

Ректификация не позволяет выделить какую-либо смесь из группы, а лишь более-менее полностью удаляет все сгруппированные по близкой летучести примеси. Поэтому если использовать ректификационное оборудование для получения, например, фруктовых дистиллятов, существует риск сгруппировать головную фракцию в трудно разделяемые азеотропы – удалить вместе с ненужными примесями полезные эфиры, отвечающие за аромат.

Если попытаться выгнать благородный дистиллят на ректификационном оборудовании, нужно чтобы во время всего отбора флегмовое число не превышало 1,5-2. Иначе баланс примесей будет нарушен.

Виды узлов отбора в колонне

Жидкостный отбор (liquid managment)

LM – регулировка количества отбора по жидкости. Наиболее удобная и легкая в эксплуатации схема, при которой все пары конденсируются, затем одна часть конденсата возвращается в колонну, другая – идет в отбор.

Характеристики. Регулировка флегмового числа осуществляется одним игольчатым краном отбора спирта. Если кран полностью открыт, флегмовое число равно нулю, а на выходе получается обычный дистиллят. При закрытом кране флегмовое число бесконечно большое – колонна работает на себя. Регулировка краном жидкостного отбора позволяет в любой момент изменить флегмовое число от 0 до 100%. Мощность нагрева и охлаждения устанавливают на оптимальном уровне, обеспечивающем максимальную разделительную способность колонны и минимальное охлаждение флегмы.

Колонна с жидкостным отбором

Как правило, флегмовое число задают несколько выше минимального, что при отборе «тела» позволяет сравнительно долго обходиться без регулировок, но ближе к концу отбора всё же приходится активно регулировать процесс. При этом чем меньше остается спирта в кубе, тем чаще приходится увеличивать флегмовое число.

Преимущества:

подходит для получения как ароматных, так и чистых спиртов;
легко и относительно дешево автоматизируется вплоть до АСУ (автоматизированной системы управления) процессом производства с блоками безопасности;
нет повышенной чувствительности к стабильности давления охлаждающей воды.

Недостатки:

если зафиксировать скорость отбора на одном уровне, то по мере ректификации флегмовое число будет падать. Это противоречит технологической необходимости в постепенном поднятии скорости к концу отбора, что является главным недостатком;
необходим разрыв струи (связь с атмосферой) после регулировочного крана или клапана, иначе возможны сбои в регулировке скорости отбора за счет разряжения в линии отбора, которое создают стекающие потоки спирта.

Паровой отбор (vapor managment)

VM – регулировка разделением потоков пара до дефлегматора. Управление колонной осуществляется путем изменения количества отбираемого пара с помощью шиберного или обычного шарового крана.

Характеристики. Соотношение площадей поперечного сечения колонны и пароотводящей трубы определяет минимальное флегмовое число, которое можно увеличить, регулируя положение крана.

Колонна с паровым отбором

При перегонке количество возвращаемой флегмы регулируется от 80 до 100%. Минимально возможное флегмовое число равно 4.

Преимущества:

чувствительность к положению крана весьма мала, что позволяет делать точные регулировки;
флегмовое число не зависит от изменения температуры или расхода охлаждающей воды в дефлегматоре;
нет повышенной чувствительности к стабильности давления охлаждающей воды.

Недостатки:

система управления инерционна, от смены положения крана до изменения скорости отбора может пройти до 10-15 секунд;
не подходит для получения ароматных спиртов из натурального сырья. Требуются конструктивные изменения, позволяющие регулировать количество возвращаемой флегмы от 50 до 100%;
колонна с паровым отбором чувствительна к пробкам на линии отбора продукта. Если в силиконовом шланге сформируется столбик продукта, стекая, он создаст разряжение, и как насосом потянет пар на себя, нарушая установленное флегмовое число. Вследствие этого резко и неконтролируемо увеличится скорость отбора, без вмешательства оператора система не вернется на прежний уровень. Остановить неконтролируемый отбор можно установкой связи с атмосферой (создать разрыв струи). Например, воткнуть иглу от шприца в верхнюю часть трубки отбора;
автоматизация сложна и дорога. Часто выполняется в виде сигнализатора достижения определенных температур, но без исполнительных механизмов. Также желательна автоматика безопасности.

Управление охлаждением (cool managment)

CM – регулировка количества воды, подаваемой в дефлегматор. Позволяет контролировать количество пара, проходящего сквозь дефлегматор на холодильник отбора продукта.

Характеристики. Флегмовое число регулируется от 0 до 100 %, но система очень чувствительна к количеству подаваемой воды и требует прецизионного игольчатого крана. Для регулирования скорости отбора приходится поворачивать кран буквально на доли миллиметра. Мощность нагрева во время всего процесса должна быть постоянной и обеспечивать максимальную разделительную способность колонны. С увеличением количества подаваемой воды увеличивается и количество возвращаемой флегмы, соответственно, возрастает флегмовое число.

Колонна с регулировкой подачи воды в дефлегматор

При ректификации на постоянной мощности охлаждения и нагрева происходит постепенное уменьшение отбора, но флегмовое число остается неизменным.

Преимущество:

может с успехом использоваться для получения ароматных спиртов из натурального сырья.

Недостатки:

малейшие колебания напора приводят к изменению скорости отбора и флегмового числа. Если не предпринять мер по стабилизации давления охлаждающей воды в квартире, на процесс отбора будет влиять даже спущенный соседями унитаз;
повышение температуры воды в дефлегматоре при неизменном ее количестве уменьшает флегмовое число, поэтому для поддержания стабильного флегмового числа нужен контроль за расходом и температурой воды, подаваемой в дефлегматор;
требуется связь с атмосферой в линии отбора продукта, иначе при случайном отключении нагрева и трубке, погруженной в отбор, весь продукт снова окажется в кубе;
система дорога и сложна в автоматизации. Обычно на такие ректификационные колонны ставят простейшие термосигнализаторы и автоматику безопасности.

Узлы отбора для самогонных аппаратов

Для начала немного теории.

Дистилляция – процесс испарения жидкости с последующей конденсацией. Все что испарилось из бака мы конденсируем с помощью холодильника и забираем в отбор.

Ректификация (в отличие от самогоноварения), предполагает более чистое разделение компонентов водно-спиртовой смеси в результате ее многократного испарения, конденсации и возврата флегмы в куб.
Флегма — это конденсат в ректификационной колонне.
Читайте также: Кедровка – настойка самогона (водки, спирта) на кедровых орешках

Принудительный, регулируемый по величине возврат флегмы с помощью специальных устройств – дефлегматоров.
Тепломассобмен между стекающей флегмой и поднимающимся навстречу паром. Для повышения эффективности тепломассобмена используют насадку.

Целью ректификации является получение спирта заданной крепости и его очистка от примесей. Для этого флегмовое число должно всегда быть выше минимального (выше синей линии на графике).

Качество спирта напрямую зависит от величины флегмового числа — чем оно выше, тем чище получается продукт на выходе. Но с другой стороны, при повышении флегмового числа снижается производительность колонны.

Постоянно приходится искать компромисс между чистотой и производительностью.

CM (Cool Managment) – управление расходом воды, подаваемой на охлаждение дефлегматора;
LM (Liquid Managment) – управление количеством отбираемой флегмы (отбор по жидкости);
VM (Vapor Managment) – управление количеством отбираемого пара (отбор по пару).

Узел отбора с дефлегматором

Отбор осуществляется регулированием расхода воды, которая поступает для охлаждения дефлегматора. Данный тип отбора имеет ряд недостатков, однако широко применяется на бражных колоннах, благодаря простоте использования и получении в целом хорошо очищенного дистиллята. Недостатки заключаются в чувствительности этого метода к напору воды и неравномерности нагрева.

Напряжение в сети постоянно меняется (а с ним и мощность нагрева), напор воды и ее температуры тоже могут скакать во время перегонки. В результате мы вынуждены в течении несколько часов, пока отбираются головы, постоянно следить, чтобы вовремя подкрутить мощность или охлаждение.

Флегмовое число регулируется от 0 до 100 %, но система очень чувствительна к количеству подаваемой воды и требует прецизионного игольчатого крана. Для регулирования скорости отбора приходится поворачивать кран буквально на доли миллиметра. Мощность нагрева во время всего процесса должна быть постоянной.

Малейшие колебания напора приводят к изменению скорости отбора и флегмового числа. Если не предпринять мер по стабилизации давления охлаждающей воды в квартире, на процесс отбора будет влиять даже спущенный соседями унитаз.

Узел отбора по жидкости принцип работы

LM (liquid managment) — контроль отбора жидкости (флегмы), один из вариантов, которые широко применяются винокурами.

Наиболее удобная (простая) в реализации и легкая в эксплуатации схема, при которой все пары конденсируются, затем одна часть конденсата возвращается в колонну, другая – идет в отбор.

Реализуется это узлом отбора по жидкости, который устанавливается между дефлегматором и царгой. В этом небольшом элементе трубы, внутри имеется специальный желоб. Флегма, стекая из дефлегматора, попадает в этот самый желоб и скапливается там. Желоб имеет боковой отвод, через который флегма собственно и попадает в отбор.

Преимущества: отбор по жидкости не имеет зависимости от напора и температуры воды, а так же не зависит от напряжения в сети.

Легко поддается автоматизации (клапан старт-стопа).

Недостатки: нельзя установить скорость отбора на одном уровне в процессе всей перегонки. К концу погона нужно регулярно снижать скоростью отбора для удержания флегмового числа. Если зафиксировать скорость отбора на одном уровне, то по мере ректификации флегмовое число будет падать.

Доохладитель для узла отбора по жидкости

Сама по себе флегма, отводимая узлом отбора по жидкости, очень горячая и нуждается в охлаждении. Для этого на боковой отвод прикрепляется доохладитель, который имеет более простую конструкцию, чем полноценный холодильник.

Узел отбора по пару как работает

VM (vapor managment) — контроль отбора пара, один из популярных методов, так же часто встречающийся среди самогонщиков.

Пары спирта, нагреваясь в баке, поднимаются вверх по царге, наполненной СПН или насадкой панченкова. Далее пары попадают в узел отбора по пару (сбоку узла находится выход на кран). Так как кран на начальном этапе перекрыт, то пары двигаются дальше вверх. Вверху колонны находится дефлегматор, расположенный вертикально, где пары конденсируются и стекают назад в виде флегмы по специальной обводной трубке. Попадая в царгу, флегма нагревается, подхватывается восходящими парами и опять возносится к дефлегматору, а затем опять вниз в виде флегмы. Таким образом проходит циркуляция флегмы, в результате которой все пары упорядочиваются в колонне по фракциям. Если приоткрыть кран, то часть паров будет выходить через него, а другая часть продолжать циркулировать в колонне. Те пары, которые вышли через кран попадают в холодильник, конденсируются в нем и выходят в виде продукта максимальной чистоты и крепости.

Управление колонной осуществляется путем изменения количества отбираемого пара с помощью шиберного или обычного шарового крана. Соотношение площадей поперечного сечения колонны и пароотводящей трубы определяет минимальное флегмовое число, которое можно увеличить, регулируя положение крана. Минимально возможное флегмовое число равно 4.

Плюсы: отсутствие чувствительности к перепадам подаваемой воды и температуре дефлегматора (так как процесс проходит до него). Чувствительность к положению крана весьма мала, что позволяет делать точные регулировки.
Режим отбора по пару практически не нуждается в автоматике — заданное на старте отбора «тела» флегмовое число сохраняется неизменным до конца, регулировка нужна буквально пару раз в конце погона. Скорость же отбора к концу перегонки резко уменьшается вплоть до остановки.

В отличии от отбора по жидкости, краном можно более корректно настроить процесс, но нужно помнить о том, что скорость отбора после регулирования краном меняется только по прошествии нескольких десятков секунд.

Система управления инерционна — от смены положения крана до изменения скорости отбора может пройти до 10-15 секунд.

Практика установки разных узлов отбора на колонны

Колонны с жидкостным отбором (LM)

В домашних колоннах отбор по жидкости получил самое широкое распространение. Причина проста – процесс ректификации 40 литров самогона затягивается на 18-20 часов. Можно уменьшить навалку вдвое, но тогда резко вырастает доля оборотного (технического) спирта, который придется перерабатывать при каждой ректификации.

Если говорить о производительности системы как о количестве товарного спирта, полученного за общее время ректификации (включая нагрев), то при уменьшении объема навалки в 2 раза, эффективность снижается примерно в 1,5 раза.

Другой путь минимизации объема получаемого технического спирта при максимальной производительности – автоматизация процесса, позволяющая делать перегонку по заранее заданному алгоритму без участия оператора. Система автоматики обязательно должна иметь не только исполнительный контур, но и блок безопасности, который моментально отключит оборудование при угрозе аварии.

Ректификационная колонна с жидкостным отбором автоматизируется проще и дешевле других систем, а по качеству получаемого спирта ничем не уступает другим типам оборудования.

Колонны с паровым отбором

Системы отбора по пару распространены за рубежом, где спирт и его производные уступают в популярности дистиллятам (коньяку, виски и т. д.), но ценится высокая крепость напитка. Иностранные умельцы конструируют ректификационные колонны с паровым отбором, имеющие минимальное флегмовое число – всего лишь 1, а не 4 как в России. При такой схеме обратно в колонну уходит не менее 50% флегмы.

В режиме дистилляции паровой отбор практически не нуждается в автоматике. Заданное на старте отбора «тела» флегмовое число сохраняется неизменным до конца, изменить его может только оператор, но даже при получении спирта регулировка нужна буквально пару раз.

Скорость же отбора к концу перегонки резко уменьшается вплоть до остановки. Если есть желание поохотиться за энантовыми эфирами (во многом создают органолептические свойства фруктовых дистиллятов) – меняют банки и увеличивают мощность нагрева, дальше следует дробный отбор и сортировка.

Если энантовые эфиры не требуются, делают то же самое, но дополнительно используют паузы для работы колонны на себя, чтобы остатки спирта были более концентрированными и с меньшим количеством примесей.

Автоматика в колоннах с паровым отбором нужна только на уровне блока безопасности. Кроме того, получение дистиллята предусматривает не группирование примесей по фракциям и полное их удаление, а сбалансированное снижение концентраций веществ до приемлемого уровня с обязательным сохранением вкусо-ароматических составляющих. Это дело для мастера-винокура, контролирующего процесс, регулировка по приборам здесь неуместна. Навалка ограничена объемом, который можно перегнать под руководством человека за имеющееся время.