Делаем ректификационную колонну своими руками — пошаговая инструкция

Получить чистый спирт поможет ректификационная колонна. Совсем недавно информация о домашней ректификации была недоступной, сегодня большое количество специализированных форумов и блогов подробно освещает процесс домашней ректификации и постройки соответствующего оборудования.

Суть процесса ректификации

Ректификация — процесс очистки спирта от легких эфирных и тяжелых сивушных составляющих, избавление продукта от глюкозы, сахаров и кислот. Процесс ректификации позволяет получить чистый этиловый спирт до 96°.

Получившееся сырье применяется в технических, медицинских целях, а также для приготовления высококачественного спиртного.

Справка. Чтобы без ошибок сделать аппарат своими руками, нужно понимать физику и химию процессов ректификации.

Спирт-сырец или брага нагреваются в кубе. Пары поднимаются по царге, самые тяжелые части конденсируются в нижней части набивки и стекают в куб. Пары полегче поднимаются выше набивки, конденсируются и стекают в куб. Новая порция паров поднимается, нагревает уже стекающую флегму, из нее испаряются легкие фракции — вступает в силу основополагающий принцип тепломассообмена.

Самые легкие частицы достигают холодильника Димрота, где охлаждаются и стекают. Когда в ректификационной колонне пары «выстроились» по этажам в соответствии с плотностью, начинается отбор спирта в верхней части колонны. Начинающие ректификаторы допускают ошибку именно на этом этапе — или допускают «захлеб» — излишнее возникновение флегмы, или отбирают много продукта, тогда страдает «этажность» и получившийся спирт будет с примесями.

Сделать ректификационную колонну в домашний условиях довольно сложно. Серьезные производители подробно рассчитывают и испытывают свой товар, прилагают подробную инструкцию. Перед самодельщиком стоит выбор:

1. Повторить задумку популярных производителей, скопировать уже существующий аппарат. При необходимости в проверенные схемы можно внести правки и доработки.
2. Сконструировать свою схему, отличающуюся от прочих.

Контактные устройства (тарелки и насадки)

Контактные элементы в ректификационной колонне участвуют в формировании баланса жидкости и пара, а также в концентрации пара.

Каждый такой элемент ограничивает определенную зону, в которой протекает своеобразный цикл дистилляции – испарение и последующая конденсация отдельной фракции, при этом часто пара пересекает эту границу и движется вверх, вовлекая в свой поток легколетучие компоненты.

В любой подобной зоне устанавливается определенное равновесие.

Справка! Основной эффект обеспечивается за счет увеличения площади фазных контактов, что активизирует тепловой и массовый обмен.

Основными являются следующие контактные элементы:

1. Теоретическая тарелка. По сути это сформированная равновесная зона без установки дополнительной детали. Для получения хорошо очищенного алкогольного напитка организуется от 24 до 32 таких зон.
2. Физическая тарелка. Это реальная деталь тарельчатой формы, в которой накапливается жидкостный слой. Пар вынужденно проходи сквозь него, что проявляется многочисленными пузырьками. Данный вариант обеспечивает достаточно большую контактную площадь. Для получения полноценного, чистого спирта в колонне надо установить до 45-55 физических тарелок.
3. Насадки. Данные контактные элементы в основном предназначены для обеспечения процесса конденсации пара. Они гораздо меньше, чем тарелки, оказывают сопротивление паровому потоку. В колоннах может использоваться несколько разновидностей – кольцо, сетка, спираль. В самодельных аппаратах нередко ставится «решето» — диск с многочисленными отверстиями. Одним из лучших материалов для насадок считается медь. Можно применить медные сплавы или алюминий.

Из чего состоит ректификационная колонна, и ее чертеж?

Домашний мастер может изготовить царговую ректификационную колонну. Она прощает многие ошибки, и результат будет гарантирован.

Чертеж ректификационной колонны

Это емкость, куда встраиваются нагреватели, испаряется брага или спирт-сырец.

1. Прочность. Вес ректификационной трубы будет приходиться на крышку, поэтому куб должен быть жестким.
2. Химическая нейтральность к спирту. Идеальный материал — пищевая хромникелевая сталь (нержавейка).
3. Удобность. Емкость нужно поднимать, перемещать, сливать из него барду (перегон). Объем емкости рассчитывается в зависимости от требуемой производительности аппарата, мощности нагревателей.
4. Утепление. Теплопотери должны быть минимальны. поэтому и стенки, и дно должно быть «упаковано» в утеплитель без мостиков холода.

Царга — это труба, которая устанавливается на куб. По сути, это и есть основной каркас ректификационной колонны. Существует тарельчатая царга, но она редко применяется в домашних условиях.

1. Прочность. Толщина стенки царги обычно принимается от 1 до 1.5 мм. Это создает достаточную прочность при небольшом весе.
2. Химическая нейтральность.
3. Утепление. Чтобы выстроить в колонне пары различных фракций «по этажам», царга должна быть хорошо утеплена. Отлично подойдет рукав из вспененного полипропилена или лотки из пенополистирола, применяемые в сантехнике.
4. Разборность. Для удобства чистки и хранения царгу можно сделать разборной — из колен 30-40 см. Это позволит регулировать высоту аппарата, что влияет на скорость и качество продукции.
5. Наличие смотровых стеклянных участков.
6. Диаметр. Если это тонкая трубка (до 2 дюймов), набивка не нужна — все процессы происходят на стенках. Такая колонна называется пленочной. Диаметры выше требуют применения насадки — уплотнительной набивки для повышения площади тепломассообмена.

Виды ректификационных колонн

В зависимости от применяемых контактных устройств, колонны делятся на тарельчатые и насадочные.

В основном распространены в нефтеперерабатывающей отрасли и на крупных производствах. Тарельчатые колонны представляют собой вертикальную трубу, в которой через определенное расстояние устанавливаются тарелки разной конфигурации, где идет контакт между паровой и жидкой фазами.

Недостаток колонн: дороговизна и большие габариты.

Преимущества: тарельчатая ректификационная колонна тоньше разделяет фракции.

Колпачковая тарелка для диоптра

На сегодняшний день широкое распространение получили насадочные колонны. Это те же вертикальные трубы, только в них устанавливается другое контактное устройство — насадка.

Насадки разделяются на два типа:

Нерегулярная — неупорядоченный слой насыпного или заполняемого инертного материала (например, спирально призматическая насадка СПН).

Преимущества: малый вес, большая площадь контакта.

Недостатки: высокое сопротивление, сложность правильного распределения паров и флегмы.

Спирально-призматическая насадка

Регулярная — представляет собой скомпонованные в кассеты перфорированные сетки и листы (к ним относится регулярная проволочная насадка Панченкова (РПН).

Преимущества: высокая эффективность, малый перепад давления.

Недостатки: насадочная ректификационная колонна явных недостатков не показала.

Медная насадка РПН

Выбор конструкции

Размеры и конструкция аппарата зависит от ряда факторов:

1. Требуемая производительность. при большей производительности царга с набивкой будет выше и шире — пара проходит больше. Охладитель и узел отбора также должны обеспечить достаточную эффективность. Минимальная длина царги — 1.5 метра, лучше сделать ее разборной из трех колен — 1 метр, 0.2 метра, 0.5 метра. это позволит использовать аппарат как для дистилляции, так и для ректификации.
2. Возможные размеры. Часто домашние ректификационные колонны ограничены в размерах из-за высоты потолка. Сэкономить место поможет смещение холодильника димрота в верхней части аппарата, или размещение его перпендикулярно царге (молот Тора).
3. Доступ к технологиям металлообработки. Аппарат из нержавеющей стали прослужит долго и не будет окислять спирт, но для соединения деталей потребуется аргоновая сварка или электроды по нержавейке. Варить нержавейку сложно. При возможности можно применять лабораторное термостойкое стекло, но оно слишком хрупкое. Отличный вариант для самодельщика — медь. Она легко паяется газовой горелкой, в продаже есть большое количество
4. Объем заправляемого сырья. Чем больше применяемый куб, тем выше должна быть производительность. Испарение спирта происходит при 75 — 80 °С, снижение температуры снизит скорость процесса.
5. Бюджет. При минимальном бюджете рассматривать надо простую, но эффективную конструкцию с механическими регулировками. Если бюджет не стеснен, аппарат дополняется точными игольчатыми кранами, дополнительными узлами и автоматикой управления.

Как выбрать ректификационную колонну

При выборе колонны обращайте внимание на следующие пункты:

1. Материал колонны, в том числе и наполнитель, должны быть инертны по отношению к парам спирта;
2. Колонна должна быть оснащена регулируемым узлом отбора;
3. Наличие высокопроизводительного холодильника или дефлегматора;
4. Обязательное присутствие атмосферного клапана для безопасной работы.

P.S. Ректификация спирта не сложный процесс и при наличии необходимого оборудования ее с легкостью можно провести в домашних условиях. К 2021 году ассортимент ректификационного оборудования безгранично возрастает. Несмотря на небольшие конструктивные отличия всех аппаратов, процесс ректификации остается неизменным и его качество будет в первую очередь зависеть от знаний и опыта человека, контролирующего процесс.

Оптимальные расчеты

Расчет колонны начинается с определения следующих параметров:

1. Возможная высота. Практика показывает, что для домашнего аппарата оптимальной будет высота в 1.5 — 2 метра. Если в роли нагревателя используется газовая плита, высота царги будет 1.2 — 1.5 метра. Диаметр зависит от высоты, среднее соотношение — 1/50. К примеру, царга 1.5 метра должна быть не больше 32 мм. (округляем до стандартных труб).
2. Мощность ТЭНа или нагревателя. Царга 1.5 метра будет иметь производительность примерно 300 мл/час, что соответствует 300 ватт мощности ТЭНа. Мощность нагревателя должна быть достаточной для нагрева до 70 °С объема браги в течении 1 часа, а также иметь возможность оптимального регулирования.
3. Объем куба. Это утепленная емкость с удобным размером, транспортабельная. Для экономии высоты помещения диаметр и высота должны быть примерно одинаковыми. От объема куба зависит количество нагретых паров. Для домашнего использования удобны кеги из-под пива 25, 30, 50 литров. Алюминиевые бидоны или бачки лучше не использовать — алюминий быстро корродирует.
4. Мощность охладителей. Охладитель должен полностью справляться с конденсированием паров при минимальном протоке воды. Точной формулы расчета мощности охладителя не существует, количество витков и длина подбирается опытным путем. Для нашей конструкции вполне достаточно 30 сантиметров плотно навитой спирали из трубки 6 мм. Лучше изготовить холодильник с запасом мощности и регулировать скоростью подачи холодной воды.

Ректификационная колонна своими руками, чертежи с размерами

Ректификационные колонны используются для получения чистого спирта крепостью 96–98%. Раньше они применялись только на спиртовых заводах. Сегодня появилась возможность приобрести такой аппарат для использования в домашних условиях. Правда, стоят они довольно дорого. Поэтому все больше наших соотечественников изготавливают подобные колонны самостоятельно. Сделать это не очень сложно, но нужно строго придерживаться основных технологических требований.

Аппараты на основе ректификационной колонны в целом работают аналогично обычному дистиллятору, хотя есть и важные отличия. Для перегонки и дистилляции продукта также используются нагреватель и холодильник. В процессе нагревания браги в перегонном кубе выделяется спиртосодержащий пар, который в стандартных аппаратах направляется к змеевику. Здесь же включен важный промежуточный элемент, который представляет собой собственно ректификационную колонну в узком смысле.

Основным элементом конструкции колонны является высокая труба, разделенная по вертикали на две составные части. В трубе происходит возгонка пара с непрерывной промежуточной конденсацией составляющих его фракций. За счет этого обеспечивается высококачественная очистка продукта, недоступная в аппаратах более простой конструкции.

Длина трубы колонны должна превышать ее диаметр примерно в 40–50 раз. Благодаря таким размерам возможно эффективное разделение смеси на фракции с выделением спирта чистотой порядка 93–96%. При меньшей высоте трубы полноценное отделение тяжелых фракций будет невозможным.

Поднимаясь по трубе, пар постепенно охлаждается, после чего конденсируется и стекает вниз. Опускаясь, конденсат взаимодействует с поднимающимся вверх паром и снова нагревается. В результате тяжелые фракции опускаются вниз, а более легколетучие поднимаются выше. Таким образом происходит отделение спирта от тяжелых сивушных масел, которые не способны преодолеть весь путь наверх вследствие своей высокой массы.

Отбор очищенного спирта происходит за счет конденсирования его паров на определенной высоте. Для этого здесь устанавливается заборный патрубок, посредством которого и осуществляется отбор этанола. Чтобы отбирался максимально чистый спирт без примесей, необходимо выполнение двух условий. Вся смесь должна быть надежно разделена на разные весовые фракции, а температура в месте забора продукта должна составлять 74–78 °C.

Более легкие фракции (альдегиды, ацетон и пр.) концентрируются в верхней части емкости. Колонна соединяется с внешней атмосферой с помощью патрубка либо клапана, через который все эти легколетучие соединения удаляются из трубы за счет своего малого веса. Подобное разделение фракций обеспечивается благодаря достаточно большой высоте колонны и установленному в ней режиму динамического равновесия между находящимися в паровой и жидкой фазах соединениями.

Ректификационная колонная состоит из следующих основных узлов: перегонного куба, царги, дефлегматора, узла отбора, термометра, холодильника.

Использовать газ для нагрева браги не рекомендуется из-за опасности такого способа. Электрические либо индукционные плиты не позволят добиться равномерной подачи тепловой энергии. Поэтому оптимальный способ — задействовать ТЭНы. Они довольно надежны и могут быть достаточно легко установлены.

При выборе емкости куба следует ориентироваться на диаметр колонны. При диаметре 4 см подойдет бак объемом 30–50 л, а для колонны шириной 5 см объем лучше увеличить до 40–80 л. Соответственно, от емкости куба зависит мощность нагревательных элементов. Так, для 40 л нужно минимум 3 кВт, для 50 л — не меньше 4 кВт.

Царгой называется нижняя часть ректификационной колонны, в которой происходит газо-жидкостный обмен. Именно в царге отделяются все тяжелые фракции, включая сивушные масла.

Для царги используется труба из пищевой нержавеющей стали диаметром 3–5 см. Толщина стенок должна составлять порядка 1–1,5 мм. Можно взять трубу со стенками 2–3 мм, но большая толщина приведет только к утяжелению конструкции. Вместо нержавейки можно использовать медь, но тогда качество очистки может быть хуже.

По всему объему царги ее заполняют специальными элементами, которые обеспечивают высокую площадь газо-жидкостного обмена. Лучше всего использовать для этой цели металлические мочалки (губки). Необходимо убедиться, что они не коррозируют, для чего можно предварительно прокипятить мочалку в соляном растворе.

Дефлегматор представляет собой верхнюю часть колонны, в которой происходит выделение в окружающую атмосферу легколетучих фракций. Более тяжелые фракции здесь конденсируются и опускаются вниз.

Конструктивно дефлегматор может быть выполнен из такой же трубы, как и царга. При этом необходимо оборудовать вокруг него охлаждающий кожух, выполненный из полого корпуса. Внутри этого кожуха организуется циркуляция воды. Можно использовать для создания второго корпуса трубу, которая шире основной примерно на 10–20 мм.

Другие варианты — использование для охлаждения змеевика или холодильника Димрота. Главное, чтобы этот узел обеспечивал надежную конденсацию этанола. Вверх должны уходить только фракции, нагретые до 60 °C. Иначе мы будет терять готовый спирт.

Расположение узла отбора должно соответствовать оптимальной точке для конденсации этанола. Отверстие высверливается в стенке дефлегматора на расстоянии 15–20 мм от места соединения с царгой.

Внутри дефлегматора необходимо приварить кольцо, которое будет способствовать отбору и стеканию продукта.

Ректификационная колонна требует поддержания очень точного температурного режима. Поэтому термометр является ее обязательным элементом.

Холодильник используется в целом такой же, как в стандартных самогонных аппаратах.

Подключить его можно непосредственно к узлу отбора с помощью трубки от капельницы.

Краткая инструкция по сборке ректификационной колонны.

1. Трубу из нержавейки размером 130–140 см разрезаем на две части. Нижняя будет царгой, верхняя — дефлегматором. Организуем разборное соединение между двумя трубами (например, резьбовое).
2. На царгу с обеих сторон устанавливаем сетки с упорными шайбами для удерживания наполнителя.
3. Нарезаем металлические губки кусками по 5–15 мм. Аккуратно засыпаем в трубу, избегая их сдавливания. Оптимальный вес наполнителя равен 250–270 г на 1 л объема царги.
4. Фиксируем сетки и шайбы.
5. Монтируем царгу на перегонный куб.
6. Оборудуем вторую часть трубы полым кожухом для воды. Используем трубу короче основной части дефлегматора на 30 см и шире — примерно на 10–20 мм. Привариваем более широкую трубу снаружи. Сверлим отверстия для подачи воды, привариваем патрубки.
7. Устанавливаем сверху крышку, сверлим отверстие под атмосферную трубку.

8. Сверлим отверстие под узел отбора (в 15–20 мм от места соединения с царгой). Привариваем кольцо для сбора продукта.

9. Изготавливаем холодильник (возможны разные варианты, аналогичные стандартным аппаратам). Подключаем у узлу отбора продукта

10. Подключить дефлегматор с холодильником к воде можно последовательно либо раздельно. Если последовательно, то вода должна идти от холодильника к дефлегматору, и затем на его верхний патрубок.

11. Обшиваем царгу и куб теплоизоляцией (как вариант — пенопропиленом).

12. Устанавливаем термометр внизу колонны.

В заключение можете ознакомиться с видео, на которых подробно показан процесс самостоятельного изготовления ректификационной колонны своими руками.

Как сделать из фитинговой сантехники в домашних условиях?

• Закупаем материалы — 2 метра трубы 32 мм из меди; олово для пайки; 15 см медной трубки диаметром 8 мм, 2 метра трубки 6 мм; игольчатый кран, пластиковый шланг диаметром 8 мм. Приобретаем готовую насадку или заменитель — керамический гравий, металлическая мочалка. Наиболее простые соединители — клампы или латунная резьба.
• Делаем царгу. Делим трубу на отрезки 1 метр, 0.3 метра, 0.5 метра. Отрезок 10 сантиметров припаиваем к крышке куба, вставляем сеточку для задержки насадки. На каждый стык припаиваем кламповое соединение или сантехническую резьбу из меди или латуни.

• Собираем узелотбора по мотивам Алекса Бокакоба. На трубке длиной 0.3 метра ближе к нижнему краю делаем два угловых пропила под 30 — 40 градусов. В пропилы вставляем пластинки из меди, обрезаем и запаиваем. Сверлим отверстие для трубки отбора жидкости, отверстие должно находиться внизу «кармашка» нижней пластинки. На трубку отбора припаиваем резьбу для игольчатого крана, который будет регулировать отбор. Сбоку и чуть выше отверстия отбора вставляем трубку «прямотока». Он нужен, чтобы контролировать флегмовое число. Прямоток проводит флегму из «кармашка» отбора ниже, флегма капает в центр насадки. Средняя часть прямотока выполнена из прозрачной пластиковой трубки.

Режимы работы

1. Нагрев браги до 72 -75 °С. Охладитель Димрота работает с минимальной мощностью.
2. Прогрев колонны и выстраивание «этажей» конденсации флегмы. На протяжении всей колонны идет активный барботаж и паромассообмен. Важно не допустить перенасыщения колонны, иначе будет «захлеб» — флегма закупорит весь диаметр царги. Подбираем мощность нагревателей так, чтобы возле узла отбора температура была 71 — 75 °С.
3. Начало отбора. При отборе по жидкости неизбежно нарушается стройная пирамида в царге, поэтому флегмовое число нужно будет корректировать. Плотность пара постепенно падает, инстенсивность отбора также. Первая отобранная жидкость — «головы» — содержат летучие эфирные составляющие. Объем голов доходит до 20 % от планируемого содержания спирта.
4. Отбор основного товарного спирта идет до появления запаха сивушных масел.
5. При желании вытянуть из сырья все возможное, вытягиваем «хвосты» — последнюю часть спиртсодержащих паров. В них большое количество сивушных масел, хвосты смешиваются в «головами» и применяются при дальнейших ректификациях.
6. Завершение ректификации — выключение нагревателя, остывание труб.

Весь цикл в в зависимости от желаемого качества продукции может продолжаться сравнительно долго — от 8 часов до 2 суток.

Средняя производительность собранной нами колонны — 250-300 мл. 96° спирта в час.

Принцип работы

Ректификационная колонна позволяет реализовать процесс ректификации на практике. Конструктивно она представляет собой цилиндр, в котором располагается куб, куда подается и где разогревается жидкость, и дефлегматор, где образуется жидкий конденсат (флегма).

Кроме того, предусматриваются контактные элементы, обеспечивающие процесс конденсации, сбора жидкости и повторного испарения.

Работает ректификационная колонна следующим образом:

1. Куб заполняется исходным сырьем (примерно на 2/3 объема) и разогревается до температуры кипения жидкости.
2. Испарение поднимается вверх, а встретившись с дефлегматором, частично конденсируется, превращаясь в флегму, которая стекает по стенкам цилиндра вниз.
3. Данный процесс по мере подъема пара по цилиндру происходит несколько раз, причем вначале конденсируются наиболее тяжелые фракции. До верха колонны доходит самая легкая фракция.
4. Во время работы установки, в ее цилиндре одновременно находятся пары, флегма, исходное сырье и очищенный, конечный продукт. Пары и флегма создают взаимнопротивоположные потоки.
5. В начальный период (до стабилизации процесса) рекомендуется не производить отбор конечного продукта, который обогащает флегму и ускоряет достижения равновесного режима тепломассообмена.

Справка! Эффективность работы колонны можно выразить флегмовым числом, т.е. отношением объема флегмы к количеству отводимого готового продукта.

Для стабильной работы установки этот показатель поддерживается на уровне 3, что обеспечивает при обороте не более 25% очищенной жидкости.

Нужно ли проектировать оборудование?

Процесс расчета, сборки и испытаний самодельного оборудования приносит огромное удовольствие. Результат после правок и доработок будет гарантирован. Однако первые трудности или неудачи способны остудить пыл начинающих ректификаторов.

В статье содержатся только общие рекомендации по сборке самого простого аппарата. Есть большое количество технических решений, повышающих скорость, автономность и управляемость процесса ректификации, однако они значительно усложнят конструкцию.

В итоге самостоятельного конструирования на результат влияют даже незначительные нюансы — плотность набивки, угол наклона, диаметр трубок Димрота… В случае, если нужен быстрый и гарантированный результат — лучше приобрести готовый аппарат от производителя. При покупке важно знать устройство, продуктивность и назначение аппарата, чтобы не купить подделку или неэффективный прибор.