Давно люди заметили, что жидкости начинают испаряться с разными температурами. Спустя время, этим свойством научились пользоваться. Для чего используют это знание? Как применяется техника? Какова температура кипения чистого спирта? На эти вопросы ответит статья.
Самогоноварение когда-то было промыслом, но сейчас это увлечение не больше, чем хобби. Причём, мастера своего хобби поднимаются до невообразимых уровней. Как же это получается и с какой стороны подступиться к этому не самому простому увлечению?
Спирт, имеет отличную от воды плотность, а, следовательно, и температура его испарения будет иной . Используют это познание шире всего при перегонке браги.
Сбродивший компот или варенье перегоняют, получая на выходе самогон. Это не магия превращения воды в вино, это обычное физическое явление. При нагревании браги в первую очередь начинают испаряться наиболее летучие спирты, которые и являются самыми ядовитыми для организма. Следующим испаряется спирт этиловый, а за ним – тяжёлые спирты, употребление которых тоже нередко доводит до летального исхода с малых доз.
До того как начать заниматься перегоном, необходимо знать:
- Температуры кипения спиртов. Для каждой фракции свой градус.
- Чем чище получается конечный продукт, тем более качественно выполнена перегонка.
- Основной залог качества конечного продукта состоит в качестве исходной браги.
Полагаясь на это знание и основан процесс перегонки. Таким образом, из сахарной, ягодной, зерновой, плодовой и любой другой браги получают дистиллят спирта. Для начала нужно разобраться, при какой температуре гонят самогон?
Температуры кипения спиртов
Чистый идеализированный спирт имеет градус кипения равный семидесяти восьми.
Как только брага нагревается до определённой температуры, первыми начинают испаряться самые летучие части . В первую очередь выпариваются метанол, уксусный альдегид и прочие особо опасные яды. Это происходит уже при температуре кипения 64–67 градусов.
Второй этап – отделяется этиловый спирт – огонь нагрева убавляют до минимального. Таким образом, поддерживается температура около 62–64 градусов. Именно эту температуру необходимо поддерживать на протяжении всей перегонки. Однако, температура перегонки самогона в ёмкости постепенно растёт по мере испарения спирта.
Когда температура поднимается до 85 градусов, начинается третий этап . Сейчас весь возможный этиловый спирт уже отделился, и за ним выпариваются сивушные масла. Это тоже ядовитые вещества, которые не употребляют для питьевых целей.
Нельзя допустить поднятия температуры до 95 градусов и выше. Такой перегрев приведёт к выбросу браги в остужающий элемент самогонного аппарата. Это заметно ухудшит качество конечного напитка, его цвет и вкус.
Процесс перегона
Самым востребованным свойством жидкостей испаряться при разных температурах является в искусстве самогоноварения . Там оно открывается во всей своей красе. Применения его состоят в том, чтобы выпарить все ненужные в конечном продукте спирты и на выходе получить чистый спирт.
Вот только искусство самогоноварения на то и искусство, что в этой области научились делать множество очень интересных вещей. Применение искусства самогоноварения отнюдь не ограничивается мутным вонючим самогоном. В домашних условиях некоторые увлечённые люди научились гнать настоящие произведения. Но, начиная с азов, в чём состоят основные этапы перегонки? И как правильно гнать самогон из браги?
Одними из самых полезных приспособлений для самогоноварения станут нехитрые измерители:
- Термометр для самогоноварения.
- Спиртометр.
На протяжении всего процесса необходимо поддерживать правильный градус в ёмкости и тщательно следить за выжимкой. Перегонка осуществляется при сравнительно невысоких температурах.
На первом этапе происходит процесс выпаривания самых летучих фракций, в их числе опасные яды: ацетон, метанол. Снимают так называемый головной срез. На этом этапе происходит отделение метилового спирта. Температура кипения метанола составляет 64,7 градусов по Цельсию.
Изначально ёмкость с брагой ставят на максимальный огонь, и она постепенно нагревается до этой температуры. О том, что перегон браги начался можно судить по запаху, ярко выделяющемуся при появлении первой выжимки. «Первак» (так в народе называют выжимку с первого тапа перегонки), имеет острый не слишком приятный запах, причина ему метанол и его кипение.
Какое-то весьма продолжительное время именно «первак» считали лучшим самогоном. От него быстрее пьянеют, и за это своё качество он стал таким популярным для употребления. Однако, головной срез пьянит быстрее не из-за того, что имеет выше градус, а потому, что содержит в себе ядовитые вещества .
Когда продукт на выходе перестаёт резко пахнуть спиртом, тогда можно говорить, что процесс самогоноварения перешёл на второй этап.
Здесь уже и начинается желаемая перегонка браги в самогон. В качестве конечного продукта на втором этапе начинает выделяться этиловый спирт. Температура кипения этилового спирта равна 78,37 градусов по Цельсию.
По окончании первого этапа, огонь под ёмкостью убавляют до минимума, и затормаживают испарение. Тем не менее, температура продолжает подниматься и начинается отделение фракции, содержащей этиловый спирт. После чего, температура поднимается ещё, и начинают идти «хвосты».
«Хвосты» - в народе – последняя фракция отделения, содержащая в себе сивушные масла. Температура кипения сивушных масел самая высокая, так как эта самая нелетучая фракция. Последняя выжимка также непригодна к употреблению.
После того, как выпарился весь этиловый спирт перегонку необходимо заканчивать. Если нет возможности определить содержание спирта с помощью спиртометра, то можно поступить и иначе. Смочив кусочек бумажки в жидкости, что получается на выходе из самогонного аппарата и аккуратно его поджечь. Если содержание спирта в жидкости высоко, то бумага вспыхнет синим огнём. Если же этого не произошло, необходимо сделать вывод, что содержание спирта в жидкости мало и в ней уже преобладают сивушные масла.
Как правильно выгнать самогон из браги
Как перегнать брагу в самогон, принцип уже понятен, а как это происходит на деле?
В качестве основы подойдёт практически любая брага . Разница будет в том, что самогон, полученный из различных продуктов, будет обладать разными вкусовыми качествами.
Брага является одним из ключевых элементов для получения качественного конечного напитка. Градус крепости основы должен составлять десять – восемнадцать процентов.
К технологии приготовления браги предъявляется много требований и критериев.
Сбраживание происходит н а основе сусла из дрожжей и сахара при комнатной температуре. Лучше всего, если процесс брожения будет происходить в стеклянной таре.
Горлышко перекрывают и устанавливают трубку для отвода газов. Конец трубки лучше поместить в воду. Это делается из соображений изоляции брожения от воздуха. Необходимо регулярно встряхивать брагу в процессе брожения, не открывая при этом доступа воздуха.
Перегонка осуществляется только из готовой браги . Определить её готовность можно по отсутствию характерного шипения, прекращению выделения газов и выпавшему осадку.
Готовую основу аккуратно переливают в ёмкость для нагрева через трубку, попутно фильтруя от осадка. Нагревают на максимально возможном огне, до тех пор, пока не начнётся процесс кипения и испарения.
После получения желаемой выжимки, наиболее чистый спирт можно профильтровать ещё раз. Очистка производится механическим путём. Очищают продукт через активированный уголь, марганцовкой или бытовыми фильтрами. После такой очистки требуется повторная перегонка.
Из всего изложенного, можно подвести, что процесс самогоноварение подразумевает следующие действия:
- Приготовление исходного материала – браги.
- Перегонка и первичное разделение на фракции. Отделение вредных веществ, таких как метанол, сивушные масла и другие.
- Механическая фильтрация.
- Повторная перегонка.
Получение чистого этилового спирта
Как правило, процесс, при котором брага становится самогоном, производят через сухопарник
. Перегон осуществляется обычным образом. Как правильно гнать ?
Температура кипения спиртов остаётся та же. Существенное отличие состоит в другом. Сухопарник – своего рода фильтр. В то время, когда процесс самогоноварения без сухопарника – достаточно трудоёмкое занятие, требующее тщательного слежения, то такой фильтр значительно облегчает задачу.
Более того, несмотря на то, что температура кипения спирта и прочих вредных примесей различна, яды все равно попадают в конечный продукт . Когда сухопарник в значительном количестве задерживает примеси.
Брага, которую берут в качестве основы, при нагревании начинает разделяться на фракции, но чёткого деления нет. Сухопарник позволяет выделить фракцию, являющую собой наиболее чистый спирт.
Меры предосторожности
Самогоноварения - интересный процесс , но нельзя забывать о безопасности. Работа связана с летучими легковоспламеняющимися веществами.
Выдержка
Одним из вариантов улучшения будущего напитка и его вкуса является выдержка . После того как все процессы перегонки и очистки завершены, напиток уже готов к употреблению. Однако, нет пределов совершенству.
Многие ценители выдерживают получившийся на выходе перегона самогон в бочках. Благодаря этому, напиток в корне меняет свой вкус и качества.
Самым благородным, уважаемым и популярным способом выдержки является выдержка в дубовых бочках . Алкоголь, долгое время, пребывавший в такой таре, меняет свои характеристики и ценность.
В процессе такого хранения, напиток насыщается кислородными соединениями через поры дерева. Более того, алкоголь меняет свой цвет, аромат, послевкусие.
При условии, что в качестве сырья была использована хорошая брага, перегон был выполнен по всем правилам и были соблюдены все технические требования, а после него выдержали в дубовой бочке, на выходе получается совершенно непередаваемого вкуса напиток .
Насыщение лигнином, танинами, азотистыми и белковыми веществами меняет характеристики и вкус напитка, делает его более благородным, мягким и приятным.
Конечный продукт
На выходе, может получиться практически какой угодно напиток. Дело вкусов и фантазии. Критериев для оценки конечного продукта немного:
- Вкус.
- Степень очистки.
- Рецептура (для ценителей).
Когда стало, наконец, ясно, как правильно выгнать самогон из браги, можно приступать к экспериментам
. Вариантов конечного продукта великое множество и нет никаких ограничений по вкусам и рецептуре, было бы желание! Потому самогоноварение и называют целым искусством создания крепких напитков.
Сколько требуется времени, сил и средств мастерам для получения качественного продукта, доподлинно известно быть просто не может. Процесс создания из браги хорошего самогона отнимает много сил и времени и становится для многих настоящим хобби.
Внимание, только СЕГОДНЯ!
Чтобы понять «физику» ректификации спирта
рассмотрим основные свойства абсолютизированного 100%-ного этилового спирта:
- температура кипения = 78,3°C при 760 мм рт.ст.
- плотность жидкости = 790 кг/м3 при 20°С
Известно, что этиловый спирт прекрасно растворяется в воде, образуя бинарную водно-спиртовую смесь с любым количеством спирта. Здесь нужно обозначить разницу между массовой и объёмной концентрацией этанола в водно-спиртовом растворе. Массовая концентрация спирта - это масса спирта в массе раствора (обозначается как г/г или %масс.).
Чаще применяется понятие объёмной концентрации - это объем спирта в объеме смеси (обозначается как мл/мл или %об.). Величины объёмной и массовой концентраций из-за значительной разницы в плотности спирта (0,79 г/мл) и воды (1 г/мл) могут существенно различаться. В дальнейшем здесь будет использоваться только понятием объёмной концентрации.
Понятно, что температура кипения раствора двух жидкостей должна находиться между их индивидуальными температурами кипения - 100°C для воды и 78,3°C для этилового спирта (при 760 мм рт. ст.). Зависимость температуры кипения (парообразования) этого раствора, или, что то же самое, температуры насыщенного водно-спиртового пара от концентрации спирта в парах показана на рис. 1.
Особого внимания на этом графике заслуживает точка А с концентрацией 96,4% и с температурой кипения меньше температуры кипения 100%-ного этилового спирта.
Нагляднее всего процессы дистилляции и ректификации этанола объяснить по кривой равновесия фаз бинарной водно-спиртовой смеси (см. рис. 2).
Из диаграммы видно, что практически вся кривая равновесия находится выше диагонали Y=X, то есть при испарении водно-спиртового раствора концентрация спирта в парах получается большей, чем в исходной жидкости. Именно это и лежит в основе процессов дистилляции и ректификации этанола.
Большое значение имеет точка (А, X=Y=97,2% объёмных) пересечения кривой равновесия фаз с диагональю. Это особая «точка азеотропа» - нераздельно кипящая жидкая смесь двух чистых компонентов, которую путём перегонки или ректификации невозможно разделить на составляющие. Максимально приближенная к точке азеотропа водно-спиртовая смесь и называется спирт-ректификат.
Используя кривую равновесия и диагональ Y=X (см. рис. 2), можно увидеть, что при простой перегонке 10%-ной бражки сначала получается самогон с концентрацией примерно 53%об. Далее, после ступеньки 10-53, можно построить следующие - 53-82, 82-88, 88-92 и т.д. Вертикальная составляющая ступеньки показывает повышение процента этанола в паровой фазе вплоть до наступления равновесия фаз (точка А). Горизонтальная составляющая ступеньки показывает конденсацию этих паров (точка пересечения горизонтали с диагональю Y=X). По диаграмме видно, что для получения спирта-ректификата из бражки с начальной концентрацией 10% теоретически должно пройти более десятка таких последовательных перегонок. На практике их должно быть намного больше, так по мере уменьшения концентрации спирта в перегонном кубе соответственно уменьшается и концентрация дистиллята. Например, на первой ступеньке 53%об. соответствует только начальному моменту перегонки. По прошествии какого-то времени концентрация спирта в бражке уменьшается и мы имеем в ней уже меньше, чем 10% спирта, в результате чего к концу первой перегонки отобранный самогон имеет среднюю крепость не 53%об., а 35-40%об.
Стоит отметить, что температура кипения этанола зависит от атмосферного давления (см. рис. 3). Причём эта зависимость достаточно существенна для процесса ректификации, когда каждая десятая доля градуса имеет значение.
В очень-очень упрощенной постановке, описанные выше «ступеньки» отдельных перегонок, но осуществляемые не по отдельности, а собранные вместе в одном аппарате и составляют процесс ректификации спирта . Такая ректификационная установка имеет еще один огромный "плюс" - параллельно с задачей получения спирта-ректификата она решает еще и задачу очистки его от примесей, имеющих отличную от спирта температуру кипения (см. таблицу в статье Физика - Простая перегонка).
Выходя за рамки нашей цели - получения спирта, с помощью ректификационной колонны можно выделить в чистом виде любое вещество (это будет особенно легко, если вы знаете температуру его кипения). Например, перегоняя настой еловых иголок, можно попробовать выделить составляющую, заведующую запахом хвои, или из настоя лепестков розы выделить вещество, отвечающее за этот цветочный запах. От самогонщика до парфюмера один шаг;o).
На самом деле ректификационные колонны бывают разных типов и имеют порой весьма сложное устройство. Более глубокое описание физико-технологических аспектов ректификации Вы можете посмотреть на сайте одного из старейших производителей
При перегонке вина основным продуктом, который переходит в дистиллят, является этиловый спирт. Но простой перегонкой нельзя получить чистый этиловый спирт; он всегда будет сопровождаться различными примесями - другими спиртами, альдегидами, сложными эфирами, летучими кислотами, которые находятся в вине (табл. 28).
В зависимости от температуры кипения все примеси можно разделить на две группы: низкокипящие с температурой кипения ниже, чем у этилового спирта, и высококипящие с температурой кипения выше 78,3°.
| Вещества | Точка кипения | Химическая формула | Примечани |
|---|---|---|---|
| Спирты одноосновные | |||
| Метиловый | 65,0 | CH 4 O | - |
| Этиловый | 78,3 | C 2 H 6 O | Приятный запах и вкус |
| Пропиловый | 97,4 | C 3 H 8 O | Приятный острый запах |
| Изопропиловый | 82,1 | C 3 H 8 O | - |
| Бутиловый | 117,5 | C 4 H 10 O | Приятный запах |
| Изобутиловый | 108,4 | C 4 H 10 O | Сильный запах, жгучий вкус |
| Амиловый (оптически деятельный) - главная составная часть сивушных масел | 128,0 | C 5 H 12 O | Неприятный удушливый запах |
| Изоамиловый | 132,0 | C 5 H 12 O | - |
| Гексиловый и другие вые шие спирты (в весьма незначительном количестве) | 157,2 | C 6 H 14 O | Приятный запах |
| Двуатомные спирты | |||
| Изобутилгликоль | 178,5 | C 4 H 11 O 2 | Без запаха, сладковатый |
| Глицерин | 275,0 | C 3 H 8 O 3 | Без запаха, сладкий вкус |
| Альдегиды | |||
| Уксусный | 20,8 | C 2 H 4 O | Безвкусные жидкости с резким неприятным запахом, продукты непрочного окисления спиртов; окисляясь, переходят в уксусную кислоту |
| Пропиловый | 50,0 | C 3 H 6 O | |
| Масляный | 75,0 | C 4 H 8 O | |
| Фурфурол | 162,0 | C 3 H 4 O | Запах горького миндаля |
| Эфиры | |||
| Муравьиноэтиловый | 54,15 | C 3 H 6 O 2 | Приятный запах |
| Уксусноэтиловый | 77,05 | C 4 H 8 O 2 | |
| Изомасляноэтиловый | 110,1 | C 6 H 12 O 2 | |
| Изовалериановоэтиловый | 134,3 | C 7 H 14 O 2 | |
| Кислоты | |||
| Углекислота | - | CO 2 | - |
| Уксусная | 118,1 | C 2 H 4 O 2 | Образуется окислением этилового спирта |
| Пропионовая | 140,9 | C 3 H 6 O 2 | - |
| Масляная | 162,3 | C 4 H 8 O 2 | Неприятный запах прогорклого масла |
| Валериановая | 185,6 | C 5 H 10 O 2 | Продукт окисления амилового спирта, неприятный запах |
| Капроновая | 205,0 | C 6 H 12 O 2 | - |
| Энантовая | 223,5 | C 7 H 14 O 2 | - |
Количество низкокипящих примесей незначительно и изменяется в зависимости от состава перегоняемого вина и способа перегонки. Часть примесей, кипящих при более высокой температуре, нежели этиловый спирт, составляют высшие спирты. Многие из этих спиртов обладают резким запахом и неприятным вкусом, а поэтому их заметное присутствие в молодых коньячных спиртах понижает качество последних. При получении коньячных спиртов принимают меры к удалению нежелательных примесей, что достигается фракционированной перегонкой.
Помимо спиртов, перегоняются также альдегиды: уксусный, пропиловый, масляный и из высших альдегидов - фурфурол, получающийся в процессе перегонки из пентоз.
При перегонке переходят в отгон также летучие кислоты: уксусная, молочная и другие - и сложные эфиры. Из кислот наибольшее значение имеет уксусная. При перегонке нормальных здоровых вин количество ее в дистилляте бывает незначительно, причем часть уксусной кислоты в процессе перегонки участвует в образовании эфиров. Больные вина при перегонке дают дистиллят со значительным количеством уксусной кислоты, которая нередко делает спирт совершенно непригодным для производства коньяков.
Из эфиров, переходящих из вина в коньячный спирт, прежде всего надо указать на уксусноэтиловый эфир, количество которого, как и уксусной кислоты, зависит от состояния перегоняемого вина. При перегонке больных вин в дистиллят может перейти значительное количество уксуоноэтилового эфира, что, конечно, неблагоприятно отразится на вкусе и аромате коньячного спирта. Кроме уксусноэтилового эфира, в коньячный спирт переходят содержащиеся в вине в незначительных количествах другие сложные эфиры, которые весьма разнообразны в зависимости от кислот и спиртов, участвовавших в их образовании.
В процессе дистилляции не происходит полного перехода этих эфиров в отгон; перегоняется более или менее значительная их часть, в зависимости от условий дистилляции. Эфиры, переходящие в отгон, могут также образоваться при нагревании в процессе дистилляции, а с другой стороны, находящиеся в вине эфиры в тех же условиях могут разрушаться в результате гидролиза (омыления).
Перегонка вина для получения коньячного спирта начинается вскоре после окончания сезона виноделия и продолжается не дольше, чем до 1 мая следующего за урожаем года. Обычно после снятия вина с дрожжевого осадка, не дожидаясь полного осветления, приступают к его дистилляции.
Отличие в получении коньячных спиртов и этилового ректификованного спирта состоит в том, что при производстве ректификованного спирта стремятся, по возможности, полностью его очистить от летучих примесей. В коньячном производстве, наоборот, принимают меры, чтобы сохранить часть этих примесей (в среднем погоне), так как они обусловливают развитие при выдержке спиртов особых характерных для них аромата и вкуса коньяка.
Поэтому процесс дистилляции коньячных виноматериалов и сырого коньячного спирта, подчиняющийся общим законом дистилляции, требует от коньячного мастера особого подхода и умения направлять его в желательную сторону для получения такого дистиллята, который содержал бы определенные примеси и при выдержке мог бы развить специфические качества, присущие коньячным спиртам.
Процесс перегонки (дистилляции) жидких смесей основан на том, что жидкости, составляющие смесь, обладают различной летучестью, т. е. при одной и той же температуре обладают различной упругостью паров.
Вследствие различия упругости паров жидкостей, составляющих смесь, состав пара и, следовательно, состав жидкости, получающейся при конденсации этого пара, будет отличаться от состава начальной перегоняемой смеси; в паре более летучего компонента будет содержаться больше, чем в перегоняемой жидкости.
В своем простейшем виде перегонка сходна с процессом выпаривания, однако между ними имеется существенная разница. При выпаривании имеют дело с растворами, состоящими из летучего растворителя и нелетучего растворенного твердого вещества. В результате выпаривания удаляется часть растворителя и повышается концентрация раствора, причем остаток, не превратившийся в пар, представляет собой конечный продукт процесса выпаривания.
При дистилляции имеют дело с растворами, у которых и растворитель, и растворенное вещество обладают летучестью, вследствие чего при испарении таких растворов в пар превращается одновременно и растворитель, и растворенное вещество в количествах, соответствующих их летучести. В результате перегонки получается полное или частичное разделение раствора на составляющие его компоненты.
Между жидкостью (смесью) и паром над ней в закрытом сосуде устанавливается подвижное фазовое равновесие: вследствие теплового движения молекул из жидкости в паровое пространство в единицу времени переходит столько же молекул, сколько переходит обратно из пара в жидкость.
Если вино подвергают перегонке, то пары всегда богаче спиртом, чем кипящее вино, потому что спирт более летуч, чем вода. В практике перегонки вина наблюдается, что когда вино на половину испарится, то весь спирт из него улетучивается. В этом случае возможно сконденсировать и собрать в продуктах перегонки, имеющих половинный объем по сравнению со взятой жидкостью, все количество содержавшегося в жидкости спирта. Повторяя ту же операцию с полученным конденсатом до полного улетучивания спирта, получают то же количество спирта в еще меньшем объеме, т. е. он будет более концентрированным. Таким образом, можно отделить спирт от воды до предела, зависящего от устройства применяемого аппарата, и получить спирт высокой крепости.
Крепостью водно-спиртового раствора (этилового спирта) называется процентное содержание безводного спирта в данном растворе. Крепость выражают в весовых процентах, показывающих весовое содержание спирта (в г ) в 100 г раствора, или в объемных процентах, показывающих объемное содержание спирта (в мл) в 100 мл раствора. Значительно реже прибегают к измерению содержания граммов спирта в 100 мл раствора (концентрационные проценты). Объем раствора изменяется в зависимости от температуры. Поэтому крепость водно-спиртового раствора в объемных процентах относится к одной температуре, называемой нормальной.
ГОСТ 3639-50 «Растворы водно-спиртовые. Методика определения крепости» предусматривает, что крепость водно-спиртового раствора выражается в объемных процентах при нормальной температуре +20°. Объем водно-спиртового раствора выражается в литрах при температуре раствора 4-20°. Отсюда вытекает, что в 100 л водно-спиртового раствора крепостью, например, 45% об. при 20° содержится 45 л безводного спирта.
Этиловый спирт кипит при температуре 78,3° (при давлении 760 мм рт. ст.), а температура кипения смеси воды со спиртом тем более приближается к температуре кипения воды (100°), чем больше ее относительное содержание в смеси. Так как этиловый спирт испаряется быстрее, чем вода, то перегоняемая смесь по своему составу постепенно приближается к воде.
Для характеристики процесса перегонки особое значение имеет соотношение между содержанием спирта в водно-спиртовых смесях, точкой кипения этих смесей и содержанием спирта в парах, выделяющихся при кипении. В табл. 29 приводятся крепости дистиллята, полученного однократной перегонкой водно-спиртовой смеси известной крепости.
Из табл. 29 видно, что с увеличением содержания спирта в ререгоняемой жидкости его концентрация в выделяющихся из шее парах относительно увеличивается и соответственно уменьшается степень достигаемого укрепления - коэффициента укрепления, который с повышением крепости подлежащей перегонке, жидкости непрерывно уменьшается.
В зависимости от режима (типа применяемого аппарата) при перегонке вина соотношение содержания спирта в кипящем Вине и конденсируемых парах на огневых кубовых аппаратах и паровых, работающих по методу двойной перегонки, по исследованиям Фалькович , изменяется следующим образом (табл. 30).
Эти Данные еще раз подтверждают, что при постепенном падении содержания спирта в вине оно будет образовывать пары все более и более бедные спиртом.
Подлежит специальному рассмотрению вопрос о поведении метучих примесей этилового спирта, заключающихся в вине, в процессе перегонки.
Предположение, что порядок перехода летучих примесей в Ютгон связан лишь с температурой кипения, должно быть решительно отвергнуто. Установлено, что процесс очистки этилового Спирта от примесей обусловлен степенью растворения этих примесей в водно-спиртовых растворах. Возможность отделения примесей в процессе перегонки зависит от коэффициента ректификации данной примеси [Фертман, 123], который представляет собой отношение коэффициента испарения примеси к коэффициенту испарения этилового спирта.
| Огневые кубовые аппараты | Паровые аппараты, работающие по методу двукратной перегонки | ||
|---|---|---|---|
| содержание спирта в конденсированных парах | содержание спирта в кипящей жидкости в % об. | содержание спирта в конденсированных парах в % об. | |
| 28,3 | 76,3 | 22,3 | 77,7 |
| 20,5 | 73,1 | 20,6 | 75,6 |
| 15,4 | 68,4 | 15,5 | 70,2 |
| 10,0 | 58,5 | 10,0 | 61,0 |
| 9,1 | 54,3 | 8,3 | 57,7 |
| 7,4 | 51,8 | 7,8 | 57,3 |
| 6,4 | 48,3 | 6,5 | 52,5 |
| 3,4 | 34,0 | 3,3 | 39,2 |
| 0,7 | 9,4 | 1,5 | 20,0 |
В табл. 31 приведены значения коэффициентов ректификации (по Фертману) для некоторых основных примесей этилового спирта, а на рис. 178 они даны графически.
| Крепость спирта в % об. | Уксусный альдегид | Изоамиловый спирт | Муравьиноэтиловый эфир | Уксуснометиловый эфир | Уксусноэтиловый эфир | Уксусноизоамиловый эфир | Изовалериановоэтиловый эфир | Изовалериановоизоамиловый эфир | Изомасляноэтиловый эфир |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 95 | 3,29 | 0,22 | 5,08 | 3,78 | 2,09 | 0,549 | 0,797 | 0,299 | 0,897 |
| 90 | 3,34 | 0,26 | 4,01 | 1,07 | 2,37 | 0,688 | 0,882 | 0,434 | 1,07 |
| 80 | 3,25 | 0,36 | 4,25 | 1,30 | 2,77 | 0,74 | 1,20 | 0,463 | 1,30 |
| 70 | 3,08 | 0,44 | 4,61 | 1,96 | 3,07 | 0,94 | 1,45 | 0,700 | 1,96 |
| 60 | 2,86 | 0,61 | 4,92 | 3,23 | 3,30 | 1,307 | 1,76 | 1,00 | 3,23 |
| 50 | - | 0,80 | 5,26 | - | 3,86 | 1,886 | - | - | - |
| 40 | - | 1,05 | 5,83 | - | 4,77 | - | - | - | - |
| 30 | - | 1,30 | - | - | 5,43 | - | - | - | - |
| 25 | - | 2,02 | - | - | 5,47 | - | - | - | - |
| 10 | - | - | - | - | 5,69 | - | - | - | - |
Когда коэффициент ректификации больше единицы, примесь становится головной, когда меньше единицы - хвостовой. Таким образом, станет ли в том или ином аппарате, например, сивушное масло головным или хвостовым погоном, будет зависеть от коэффициента ректификации изоамилового спирта - главной составной части сивушного масла.
Коэффициенты ректификации неодинаковы для различных примесей при одном и том же содержании этилового спирта в перегоняемой смеси. Коэффициент ректификации одной и той же примеси изменяется при различной крепости спирта. Таким образом, одни и те же летучие примеси, в зависимости от содержания этилового спирта в перегоняемой жидкости, могут быть головными или хвостовыми погонами. Так, например, если этиловый спирт в перегоняемой жидкости содержится в количестве не более 42% об., то изоамиловый спирт, являющийся основной составной частью сивушного масла, испаряется быстрее этилового. Если же содержание этилового спирта в перегоняемой жидкости превышает 42% об., то изоамиловый спирт по отношению к нему будет хвостовым погоном.
В условиях нормального атмосферного давления температура кипения спирта составляет 78,3 °С (для этанола). При этом следует учитывать, что данная температура всегда остается неизменной, даже в том случае, когда подвод тепла осуществляется непрерывно. Такая особенность процесса объясняется тем, что превращение жидкого вещества в пар происходит также при достижении некоторого фиксированного для данного вещества значения температуры - теплоты испарения.
При возрастании молекулярной массы температура кипения спирта повышается, при этом пропорция имеет обратный вид для спиртов, стоящих близко в ряду, начиная от этилового. Численно ее значение гораздо выше, чем такой же показатель у эфиров или углеводородов, которые имеют одинаковую молекулярную массу. Соответственно, эта закономерность распространяется и на производные от этих веществ. Это свойство объясняется наличием в спиртах молекулярной ассоциации из-за присутствия в составе гидроксильных групп.
Во многом температура кипения спирта определяется его химическим строением. Тут присутствует такая универсальная закономерность: чем больше состав спирта отличается от классического строения, тем температура его кипения ниже.
При сравнении температур кипения различных спиртов с температурами кипения производных от них обнаруживается уникальная закономерность - спирты обладают практически аномальными по величине, очень
Более закономерной является зависимость температуры кипения от величины значения молекулярного веса конкретного спирта. Например, температура кипения составляет 78,15 °C при молекулярной массе 46,069 а. е. м. В то же время, аналогичные показатели у метилового составляют соответственно 64,7 °С и 32,04 а. е. м. Такая же закономерность характерна для всех спиртов.
Гидролиз спирта, как правило, осуществляется при достижении им это довольно продолжительный по времени процесс, длящийся около десяти часов.
Такой параметр как температура горения спирта во многом определяет широту применения этих соединений в промышленности и быту. Однако тут следует учитывать такой аспект как тип горения. классифицируют на четыре группы. Первый тип включает в себя все процессы горения, которые происходят за счет поступающего кислорода, содержащегося в окружающем воздухе. К нему относятся реакции горения нефти, а также спирта. Данный процесс выражается следующей формулой: C2H5OH + 3O2 + 11,3 N2 = 2CO2 + 3H2O + 11,3N2.
Исследуя данную формулу, следует иметь ввиду, что она не отражает в полном смысле всех химических превращений, которые происходят с веществами, принимающими участие в реакции горения. Формула составляется из соображений, что воздух состоит только из кислорода и азота, присутствие в нем инертных газов принимается равным нулю.
Рассматриваемый нами параметр - температура кипения спирта - обуславливает его многообразное использование. Это использование нам наиболее известно как применение спиртов в качестве горючих материалов и составляющего вещества различных типов моторного топлива. Для этих целей, как правило, используются метанол, этанол и бутанол, которые производятся во всем мире в промышленных объемах. Такие объемы производства обусловлены их коммерческой доступностью и высокой конъюнктурой на рынке, более того, эти производства в некоторых случаях используются в качестве критериев показателей технологического уровня государства. Отдельными технологическими направлениями выступают производство биодизеля, растворителей, красок и многих других продуктов, перечислить которые просто невозможно в одной небольшой статье.
Поддержка оптимальной температуры перегонки дает на выходе кристально чистый самогон без запаха и вредных примесей. Это один из важнейших этапов самогоноварения, не зная основ которого нельзя рассчитывать на хороший результат. Без соблюдения технологии дистилляции даже из самой лучшей браги получится плохой самогон.
Теоретические аспекты
Температура кипения и летучесть примесей
Самое распространенное заблуждение среди начинающих самогонщиков гласит, что примеси испаряются пропорционально своей температуре кипения. На самом деле это в корне не так: летучесть примесей, то есть их способность покидать кипящую жидкость, никак не связана с температурами кипения этих примесей.
Рассмотрим классический пример о метаноле и изоамилоле. Пусть в куб залито сырье следующего состава (см. таблицу).
Доведем смесь до кипения (температура в кубе около 92 °C) и отберем небольшое количество дистиллята так, чтобы состав кипящего сырья практически не изменился. Каким будет состав отобранного дистиллята? Для воды и этилового спирта изменение концентраций можно легко найти по кривой равновесия или таблицам: концентрация спирта возрастет с 12 до 59%.
Кривая равновесия воды и этилового спирта Чтобы определить изменение концентрации примесей, воспользуемся графиком коэффициентов ректификации (крепость в процентах от объема – на верхней горизонтальной оси).
При крепости сырья 12% коэффициент ректификации (Кр) метилового спирта равен 0,67, а Кр изоамилола – 2,1. Значит, содержание метанола в отборе уменьшится, а изоамилола – возрастет в два раза. В результате получается.
Вторая таблица доказывает независимость скорости испарения примесей от температуры их кипения. Метанол с температурой кипения 65 °C медленнее покидает куб, чем изоамилол с температурой кипения 132 градуса.
Это происходит потому что концентрация этих примесей мала. Если бы количество метанола и изоамилола было сопоставимо со спиртом и водой, эти вещества заявили бы о своем праве на испарение в количестве, соответствующем разнице их температур кипения, и стали бы полноправными составляющими раствора.
Испаряемость примесей в концентрации менее 2% полностью зависит от того, с какой силой их одинокие молекулы удерживаются водно-спиртовым раствором (преобладающими в составе веществами). Это можно сравнить с тем, как папа и мама не спрашивают ребенка с какой скоростью бежать на автобус – взяли за руки и галопом.
Так и с примесями. Когда в растворе одну маленькую молекулу метанола окружает толпа молекул воды, то они легко удерживают её рядом с собой. Поскольку молекула метанола меньше этанола, то воде удерживать её намного легче. А вот изоамилол, наоборот, плохо растворяется в воде, имея с ней очень слабые связи. При кипении изоамилол вылетает из воды быстрее метанола, хотя температура его кипения в 2 раза выше.
Исследованию коэффициентов испарения или летучести различных веществ и их растворов посвятил немало своих трудов Сорель. Он составил таблицы и графики, по которым можно узнать, насколько меняется содержание веществ в парах по отношению к исходному раствору. Однако для целей винокурения графиками и таблицами пользоваться неудобно, поэтому Барбе предложил новый расчетный коэффициент, названный коэффициентом ректификации (Кр), для получения которого нужно при заданной крепости раствора разделить коэффициент испарения примеси на коэффициент испарения этилового спирта.
Коэффициент ректификации одновременно является и коэффициентом очистки, так как показывает фактическое изменение содержания примесей по отношению к этиловому спирту:
- Кр=1 – от примесей нельзя избавиться, они в том же количестве будут присутствовать в дистилляте;
- Кр>1 – в отборе примесей будет больше, чем в исходном сырье, это головные фракции;
- Кр<1 – в полученном в результате перегонки дистилляте количество примесей будет меньше, чем в исходном сырье, произойдет очистка, это хвостовые фракции.
Если примеси при высоких концентрациях спирта имеют Кр<1, а при низких Кр>1 – это промежуточные примеси. Таких абсолютное большинство. Есть еще и концевые примеси, у которых, наоборот, Кр>1 при высокой концентрации спирта, а при низкой – Кр<1.
На самом деле абсолютно головных или хвостовых примесей не так уж и много, чаще винокуры имеют дело с промежуточными. Однако если говорить о перегонке браги, то её крепость меняется во время процесса с 12% и ниже. При таких концентрациях спирта практически все примеси являются головными, независимо от температуры их кипения: изоамилол – 132 °C, ацетальдегид – 20 °C и т.д.
Примесей, проявляющих хвостовые свойства, при перегонке браги совсем немного: метанол с температурой кипения 65 градусов и фурфурол – 162 °C. Как видим, и здесь температура кипения ни на что не влияет.
Главный теоретический вывод . Примеси не выстраиваются в очередь на выход из куба в соответствии с температурами своего кипения, а испаряются в составе спиртового пара в количествах, зависящих только от их исходной концентрации и коэффициента ректификации.
Мощность нагрева и температура кипения раствора
Мощность нагрева влияет только на количество образуемого пара и никак не изменяет температуру кипения содержимого куба. В свою очередь, температура кипения раствора зависит от концентрации спирта в кубовой навалке и атмосферного давления (см. таблицу).
Чем меньше крепость, тем выше температура кипения кубовой навалки. Чем больше подаваемая мощность, тем больше пара образуется.
Дробная дистилляция
Если при кипячении смеси по пути в холодильник её пары не конденсируются на крышке и стенках куба, или эта величина пренебрежимо мала, то отбирая погон последовательно по разным банкам, получим в них разную крепость и состав дистиллята.
Это простая дробная дистилляция, управлять которой можно лишь условно, изменяя пропорции отбираемых фракций. Никакой очистки или укрепления метод не предусматривает.
Если аппарат идеально утеплить, то не зависимо от скорости отбора и мощности нагрева, на выходе будет дистиллят одинакового состава и крепости.
Парциальная конденсация
Если по пути из куба в холодильник заметная часть пара конденсируется – это парциальная конденсация.
Стенки куба, крышка и паровая труба непрерывно теряют тепло. Эти теплопотери зависят не от величины нагрева или отбора, а только от разницы температур между кубовым содержимым (жидкость и пар) и окружающим воздухом.
Следствием этого полезного при дистилляции процесса является парциальная конденсация пара, когда во флегму попадают наименее летучие его составляющие, которые потом обратно стекают в куб.
Та же часть пара, которая доходит до холодильника, содержит легколетучих составляющих больше, чем было в исходных парах. Это позволяет создавать условия для более концентрированного отбора «голов» и укреплять отбор.
Отношение веса флегмы к весу отобранного спирта называют флегмовым числом. Чем выше флегмовое число, тем больше укрепление и обогащение легколетучими составляющими отбора.
Важно также отметить, что стекающая в куб флегма прогревается, вызывая дополнительную конденсацию пара, но закипеть не успевает.
Тепломассобмен
Если флегма стекает в куб так долго, что пар успевает согреть её до точки кипения, происходит другой процесс – тепломассообмен, при котором из пара конденсируются молекулы труднолетучих веществ, а из флегмы испаряются легколетучие. Испаряется и конденсируется всегда равное количество молекул. Этот процесс лежит в основе технологии ректификации.
Как гнать самогон на обычном аппарате
Познакомившись с некоторыми вопросами теории, можно приступить к вопросу об управлении процессом дистилляции.
Аппараты для классической дистилляции строятся по схеме куб-холодильник. Добавление сухопарника облегчает отбор «тела» на высоких скоростях, так как препятствует брызгоуносу. Куб и паровые трубы не утепляют, и как мы выясним позже, – не случайно. Дистилляторы могут быть разными (см. фото).
Принципиально эти аппараты отличаются только степенью парциальной конденсации. При её незначительной доле аппарат годится только для перегонки браги, при большой парциальной конденсации подходит для производства благородных дистиллятов.
Перегонка браги
Брагу нужно гнать быстро. Главной задачей является отделить все испаряемые составляющие от не испаряемых. Снижение мощности в начале или в конце нагрева не требуется. При первой перегонке браги на аламбике желательно накрыть его купол тряпкой.
Обычную сахарную брагу можно отбирать «досуха» (минимальной крепости в струе). В случае с фруктовыми брагами, которые планируется выдерживать в бочках, желательно гнать до средней по погону крепости 25%. Если закончить процесс раньше, будут потеряны кислоты и тяжелые спирты, которые образуют новые эфиры в бочке.
Вторая перегонка
Крепость навалки. Оптимальная крепость кубовой жидкости для второго перегона составляет 25-30%. При такой концентрации спирта сивуха достаточно хорошо укрепляется и выводится в составе головной фракции. В «хвосты» попадет приемлемо небольшая доля спирта, но при отборе «тела» сивуху в кубе удержать не удастся или потребуется флегмовое число более 3, что серьёзно затянет процесс перегонки, да и не каждый аппарат может работать в таком режиме.
Меньшая исходная крепость навалки позволит сивухе во время отбора «голов» выходить с концентрацией выше кубовой более чем в два раза, но отбор «тела» будет начинаться при слишком малой крепости навалки, в результате почти половина спирта попадет в «хвосты», которые нужно начинать отбирать при крепости жидкости в кубе 5-10%.
Если повысить крепость кубовой навалки до 35-40% и больше, то укрепления сивухи при малых флегмовых числах не произойдет. В «головах» будет столько же сивухи, сколько и в кубовом остатке, а при капельном отборе (повышении флегмовых чисел) сивуха вообще останется в кубе.
Отбор «тела» пройдет с меньшими потерями спирта в «хвосты», но вся оставшаяся в кубе сивуха попадет в «тело». За счет того, что объем спирта в отборе уменьшится, концентрация сивухи будет даже больше, чем в навалке.
Отбор «голов». Рассмотрим, что происходит при отборе «голов» на классическом самогонном аппарате. Например, кубовая навалка крепостью 25-30% закипела, и винокур снизил мощность нагрева до 600 Вт. При этом теплопотери паровой зоны составляют 300 Вт (теплопотерями в жидкостной зоне пренебрежем для простоты расчетов). В результате из образовавшегося в кубе пара ровно половина сконденсируется. Количество отбора будет равно количеству флегмы, значит, флегмовое число равно единице. Увеличение мощности нагрева приведет к уменьшению флегмового числа и, наоборот, – дальнейшее уменьшение мощности увеличит его.
При организации покапельного отбора «голов» система выходит на максимальное флегмовое число, что дает укрепление и обогащение отбора легколетучими примесями.
Во время дистилляции навалка имеет низкую крепость, а практически все примеси являются головными. Поэтому отбор «голов» крайне важен, необходимо создавать условия для его успешного осуществления:
- всегда оставлять достаточно большую паровую зону в кубе, а не гнаться за объемом навалки;
- не утеплять куб с крышкой и паровую трубу дистиллятора.
Получение «тела». Скорость отбора «тела» при второй дробной перегонке должна быть умеренной, чтобы не сводить флегмовое число к минимуму.
Большинство бытовых классических аппаратов не обладают достаточными возможностями парциальной конденсации, поэтому получить на них приемлемую очистку «тела» можно всего двумя способами: вывести примеси с «головами» или отсечь их с «хвостами».
Когда собирать «хвосты». Распространенное мнение, что момент для перехода на отбор «хвостов» наступает, когда крепость в струе 40%, имеет под собой прочную почву.
Промежуточные примеси увеличивают свой коэффициент ректификации до величин, превышающих единицу, и становятся легко летучей составляющей пара, значит, уже не переходят во флегму, а продолжают путь в отбор. Конденсируется же в основном вода и типично хвостовые примеси. Парциальная конденсация перестает очищать от сивухи пары спирта, а наоборот –обогащает.
В момент отбора «хвостов» кубовая температура составляет около 96 °C, что соответствует кубовой крепости порядка 5%. «Хвосты» можно отбирать до 98-99 градусов в кубе, совсем до суха не нужно, появится слишком много примесей и воды.
Перегонка на бражных и ректификационных колоннах
Работа с бражными и ректификационными колоннами в корне отличается от процесса классической дистилляции, так как появляется возможность с помощью дефлегматора регулировать количество возвращаемой в колонну флегмы в очень широких пределах. В основе процессов лежит тепломассобмен. Для того чтобы поднять эффективность процесса, в колонну насыпают насадку, значительно увеличивающую площадь взаимодействия пара и флегмы.
Процесс же парциальной конденсации, при котором образуется дикая флегма, становится нежелательным явлением, ухудшающим точность регулирования флегмового числа и разделения на фракции по высоте колонны. Поэтому парциальную конденсацию стараются минимизировать путем утепления куба и колонны.
Поведение примесей при ректификации подчиняется их коэффициентам ректификации, но технология имеет особенности, главная из которых – многократное испарение и конденсация пара по пути из куба к холодильнику.
Каждое такое переиспарение происходит на определенном участке по высоте колонны, называемой теоретической тарелкой. На первых 20-30 см насадочной части колонны за счет неоднократного переиспарения пар получает укрепление до величины выше 90%. При этом примеси, вылетающие из куба в составе пара, при прохождении каждой последующей теоретической тарелки будут менять свой Кр в соответствии с крепостью флегмы или пара, в которых они находятся.
Поэтому сивушные масла, имеющие на входе в колонну Кр больше единицы, по мере продвижения вверх по колонне приобретают Кр меньше единицы, и всё в меньшем количестве переиспаряются, а на определенном этапе полностью останавливаются. Накопление сивушных масел происходит в той части колонны, где их Кр=1. Выше сивуху не пускает спирт, для которого она при этой крепости является «хвостом», а ниже сивушные масла проявляют головные свойства, и при переиспарении поднимаются опять выше. Примерно так ведут себя все промежуточные примеси.
1 -головные; 2 - промежуточные; 3 -хвостовые; 4 - концевые. Головные примеси по мере продвижения вверх по колонне попадают во все более укрепленный пар, в результате их Кр возрастает. Это позволяет головным примесям с ускорением попадать в зону отбора.
Хвостовые примеси – строго наоборот, попав в колонну, с каждой новой теоретической тарелкой резко уменьшают свой Кр и довольно быстро вместе с флегмой оказываются внизу колонны, где и накапливаются.
Концевые примеси ведут себя похоже: при низкой крепости их Кр<1, но с ростом крепости Кр становится больше 1, поэтому они не застревают в колонне, а в зависимости от крепости идут вверх или вниз отбора.
Управление колонной сводится к простому правилу: нельзя отбирать фракцию со скоростью, превышающей скорость её поступления в колонну. Методы определения момента, когда эта скорость начинает превышаться, разнообразны. Главное, как можно раньше понять, что равновесие нарушено, и, сократив скорость отбора, восстановить его.
В самом простом варианте управление возможно по двум термометрам:
- кубовому, показывающему момент закипания спирта-сырца в кубе, перехода на отбор «хвостов» и окончания процесса;
- термометру, находящемуся в 20 см от низа насадки. В этой зоне все переходные процессы завершены, температура более-менее стабильна и отражает процессы, происходящие в колонне с максимальным упреждением по отношению к зоне отбора. Повышение температуры даже на 0,1 градуса говорит о том, что отбирается слишком много спирта – больше, чем его поступает в колонну, поэтому нужно уменьшить скорость отбора. Если не сократить отбор, разделение на фракции в колонне ухудшится, а примеси из установившегося для них равновесного положения продвинутся выше по колонне, ближе к отбору.
При ректификации за счет принудительной дефлегмации и четкого управления флегмовым числом на выходе получаются самые легколетучие фракции, которые можно отбирать последовательно. Кроме того, грамотное управление колонной позволяет останавливать в ней продвижение ненужных примесей в зону отбора, накапливать их до определенного времени в колонне или вообще возвращать в куб.
Ректификационная колонна – это не столько точный, а скорее мощный инструмент для тотальной очистки спирта от примесей. Для получения благородных дистиллятов он слабо применим, поскольку требует особых технологий и методов. Группирование примесей по летучести и высокая концентрация спирта в колонне создают из них азеотропы без разбора на нужные и ненужные, разделить их уже не удастся.
При получении благородных дистиллятов целью является не полная очистка спирта от всех примесей, а сбалансированное уменьшение их концентраций с частичным удалением некоторых самых ненужных. Требуется аппарат с парциальной конденсацией, работая на котором винокур разделяет дистиллят на части, а затем собирает из этой мозаики шедевр.
При всей внешней разнице, в основе управления дистилляцией и ректификацией лежат важнейшие свойства примесей – их летучесть и связанные с ней коэффициенты ректификации. Управляя флегмовым числом в весьма ограниченном (при дистилляции) или, наоборот, очень широком (при ректификации) диапазонах, можно получать очень разный продукт: от сбалансированного по примесям дистиллята до чистого спирта. Главное понимать принципы управления и пользоваться в каждом случае подходящим инструментом.
