Способы очистки химических веществ. Что собой представляет дистилляция спирта Перегонка является химическим способом

Алкоголь может принести удовольствие только в том случае, если он качественный. А хорошего качества можно добиться, применяя верные методы его получения. Поэтому каждому начинающему самогоновару необходимо знать всё про дистиллят и ректификат, дабы создать поистине хороший алкогольный продукт.

Дистилляция алкоголя

Есть такое выражение «гнать самогон» - на самом деле это и есть дистилляция (по-другому её называют «перегонкой»). В ходе этого процесса из перебродившей смеси под воздействием высоких температур испаряются летучие соединения (пары), которые впоследствии оседают и образуют самогон. Иногда дистилляция идёт перед ректификацией, а не только как самостоятельный процесс.

Сам аппарат для перегонки довольно прост:

• Первый отсек – большая ёмкость в форме колбы, куда заливается сырьё. Наверху находится термометр для измерения температуры. Под колбой располагается источник тепла для нагрева.
• Вторая часть аппарата – змеевидная полая трубка, соединяющая первый и второй отсек. Она исходит из первой колбы под уклоном вниз, чтобы пары могли охлаждаться и, превращаясь в жидкость, каплями спадать вниз. По-другому эту часть называют «конденсатор».
• Третья часть – колбочка поменьше, находящаяся на уровне ниже, чем первый отсек перегонного аппарата. Вход в неё – через полую трубку. В этом отсеке спирт оседает.

За дистилляцией нужно следить: как только в первой колбе испарится весь спирт и останется вода, необходимо прекратить процесс. Сигналом к этому станет увеличение температуры в конденсаторе.

Выделяют 2 вида перегонки:

• простая (в один этап);
• фракционная (в несколько этапов).

По сути, простая перегонка – первый этап фракционной в результате которой получается первый выход спирта. При простой перегонке он смешивается с остальным спиртом, а при фракционной первые граммы отделяются.

Простая дистилляция

Первые 100 г дистиллята называют «головой». Важно помнить, что они непригодны для употребления из-за высокой крепости и большой концентрации вредных соединений (альдегиды, эфиры и пр.) и отличаются сильным запахом. Опытные самогоновары это знают и сливают первые 100 г в раковину или используют в бытовых целях.

Однако иногда примеси не удаляют, и такой вид дистилляции – простой. В конечном спирте остаётся запах и привкус сырья, из которого была изготовлена брага. Как правило, для создания приятной ауры напитка, его ароматизируют:

• бренди, ром и коньяк настаиваются в дубовых бочках;
• для изготовления джина добавляют миндаль и кориандр.

Некачественный алкоголь содержит химические ароматизаторы, чем отличается нерадивый производитель. Это частая практика недорогих алкогольных напитков, так как химия – дешевле, чем натуральные ингредиенты или долговременная выдержка в бочке. Таких напитков лучше избегать, так как они вреднее.

Фракционная дистилляция

Как известно, вода закипает при 100˚C, а спирт – при 78˚C, поэтому пар от спирта образуется быстрее, чем пар от воды. При охлаждении пар превращается в жидкость и оседает. Для более чистой перегонки дистилляцию повторяют многократно – в чем и состоит основа фракционной дистилляции: разные ёмкости для разных жидкостей. Фракции разделяются по объёму браги, температуре и крепости. Выделяют 3 типа фракций:

• Головная (первач), о которой писалось выше. Её не используют из-за неприятного запаха и вредных веществ. Её отбор проводится по температуре и процентам спирта по каплям.
• Средняя (тело самогона). Эта жидкость почти не имеет цвета и запаха, отсекается по высокой температуре (90–95˚C) и крепости (35–40˚).
• Хвостовая. Её основное отличие - резкий запах, который придают ей сивушные масла. Нельзя допускать её попадания в основную часть самогона – в тело.

Качественный самогон принято очищать углём и повторно дистиллировать – медленнее, чем в первый раз. Важно соблюдать чёткое разделение на фракции, чтобы насладиться хорошим результатом.

Помните: если нужно получить чистый спирт, то не рекомендуется использовать метод перегонки. У конечного продукта в любом случае останется несильный аромат первоначального сырья.

Ректификация: описание и назначение

Дистиллят и ректификат отличаются спецификой конечного продукта: в процессе ректификации можно получить чистый ректификованный спирт, поэтому его используют для производства водки.

Ректификационная колонна несколько сложнее дистиллятора, ведь необходимо непросто отделить спирт, но и очистить его от примесей: сивушных масел, метанола, ацетона, вкуса и запаха.

Важно помнить, что ректификация спирта – это не повторная дистилляция. Сам процесс имеет несколько этапов:

1. Отсек с самогоном нагревается и доводится до кипения.
2. Пары поднимаются по ректификационной колонне в дефлегматор, где оседает, охлаждаясь водой.
3. В результате конденсации образуется флегма, которая стекает обратно по колонне.
4. Флегма и пар взаимодействуют – происходит теплообмен. Легкокипящие вещества концентрируются на самом верху и оседают в специальной ёмкости.

Если сравнивать ректификат и дистиллят, то обычно разница отмечается в чистоте спирта. При ректификации на выходе получается чистый 96% спирт.

Важно: для получения ректификата подходит только 40% спирт после первичной дистилляции, а не брага.

Какой метод лучше?

Дистилляция и ректификация спиртосодержащей жидкости хороши по-своему. Например, если необходимо получить напиток с ароматом и вкусом первоначального сырья (например, коньяк и бренди), то стоит применять дистилляцию. От ректификации такие особенности напитка потеряются.

Различия кроются и в дальнейшем использовании полученного спирта. Так, дистиллированный спирт вполне можно поместить в дубовую бочку, после чего он получит приятный аромат. Выдержанный в бочках алкоголь особенно высоко ценится. Ректифицированный же спирт не получит должных свойств – он пригоден только для разведения.

Стоит отметить, что ректификация спирта стоит дороже в силу стоимости оборудования. А также необходима первоначальная дистилляция браги – а это сказывается на временных затратах. В вопросе, что лучше выбрать дистиллят или ректификат, нужно руководствоваться собственным опытом и преследуемыми целями.

Сложно сказать, что востребованней: дистиллят или ректификат, так как это зависит от дальнейшего назначения спирта. Тем не менее какой бы способ ни был выбран, нужно чётко следить за выполнением каждого этапа получения спирта, чтобы продукт получится качественным. А также нельзя экономить на оборудовании – более дорогие дистилляторы и ректификационные колонны дадут лучший результат. Если сложно самостоятельно определить, что было бы уместнее: традиционная дистилляция или ректификация, и разобраться, что лучше, то рекомендуется обратиться за помощью к специалисту.

Дистилляция и ректификация широко используются в промышленности. Этими способами очищают этиловый спирт, из нефти выделяют керосин, бензин, ДТ и прочие компоненты, в парфюмерии получают ароматические вещества и многое другое.

В основу обеих технологий положен один и тот же принцип перегонки жидкости. Тем не менее, различия есть, и довольно серьезные.

Определение, схема устройств и принцип работы

Дистилляция

Дистилляцией называется процесс, в ходе которого жидкость, находящаяся в кубе (емкости) нагревается и испаряется, после чего охлаждается и конденсируется. Пар в итоге может переводиться в жидкость или твердое тело (второй вариант в данной статье не рассматривается). Продукт на выходе называется дистиллят. Или кубовый остаток (так называется жидкость, которая не испарилась), в зависимости от того, с какой целью перегоняли исходную смесь.

Устройство простейшего аппарата для получения дистиллированной воды. Жидкость находится в кубе 1 с крышкой 2 и термометром 3. После нагрева емкости, вода превращается в пар, который поднимается вверх и попадает в трубку 4 с вентилем 5. А оттуда – в трубку 6, находящуюся в холодильнике 7. Чтобы пар сконденсировался и снова перешел в жидкое состояние, его надо охладить. Для этого трубка 6 омывается проточной ледяной водой. Для повышения эффективности охлаждения, она завита в спираль, чтобы пар дольше находился под действием низкой температуры. Выйдя из холодильника, жидкость попадает в сосуд для сбора дистиллята.

При дистилляции смеси, состоящей из двух компонентов (одним из них является базовая растворяющая жидкость, а второй – в ней растворенный), в пар превращается низкокипящий, то есть тот, у которого более низкая температура кипения. А высококипящий (с более высокой температурой кипения) остается в жидком состоянии. Термометр нужен для регулирования степени нагрева так, чтобы данный параметр находился между указанными температурами.

Отличительной особенностью дистилляции является тот факт, что летучие компоненты испаряются однократно. При таком простом способе невозможно добиться высокой степени разделения составляющих смеси. Кроме того, выделяется только один ингредиент.

Ректификация

Ректификация – это процесс, на начальном этапе которого жидкость, как и при дистилляции, тоже нагревается и испаряется. Но затем пар попадает в ректификационную колонну. В ней, за счет противотока между жидкой и газообразной фазами смеси, происходит тепловой и массовый обмен между паром и сконденсировавшимися каплями. Исходная смесь делится (притом, с высокой степенью очистки) на компоненты с разными температурами кипения за счет того, что жидкость, фактически, многократно испаряется и конденсируется.

Схема простейшего ректификатора, который можно изготовить даже в домашних условиях. Он состоит из куба, подогреваемого на огне или водяной бане. Над ним расположена ректификационная колонна (в бытовых аппаратах – царга, представляющая собой жесткую трубу) с заполняющими ее насадками (на рисунке называются «мочалки», потому что для домашних устройств их нередко делают из дешевых металлических кухонных мочалок). Над ней – дефлегматор. Сбоку, напротив узла отбора дистиллята, находится специальная отводящая трубка (на схеме окрашена красным). Она соединена с холодильником и далее – с приемной емкостью. В лабораторных и бытовых ректификаторах в качестве «мочалок» применяются насадки, которыми заполняется колонна. Самые популярные: спирально призматическая (Селиваненко) и регулярно проволочная (Панченков). Первая дает самую лучшую степень очистки, вторая, при достаточно эффективной работе, наиболее простая по конструкции. Делаются, обычно, из нержавейки или меди. В промышленных установках вместо насадок применяются специальные тарелки.

Аппарат работает следующим образом. Исходная смесь нагревается в перегонном кубе и начинает испаряться. Пар проходит через ректификационную колонну. На узле отбора дистиллята часть пара отводится через красную трубку, попадает в холодильник, конденсируется и стекает в приемную емкость. Другая часть поднимается в дефлегматор. Последний представляет собой, по сути, еще один холодильник с проточной водой в рубашке. В нем эта вторая часть пара тоже конденсируется, после чего в виде капель, которые называются флегмой или орошением, стекает в ректификационную колонну и движется внутри нее сверху вниз. Расход воды для охлаждения дефлегматора можно регулировать, тем самым изменяя количество орошения, поступающего обратно в колонну.

В ректификационной колонне осуществляется противоток двух фаз – пар поднимается вверх, флегма опускается вниз. Между ними происходит массовый и тепловой обмен, в результате которого пар обогащается низкокипящими (легколетучими) компонентами смеси, а капли стекающей жидкости – высококипящими (труднолетучими) ингредиентами. За счет этого, при достаточной высоте колонны, из верхней ее части (узел отбора дистиллята) выводится целевая фракция большой степени чистоты. Насадки в колонне служат для интенсификации массового и теплового обмена, поскольку конденсация пара осуществляется именно на их развитой поверхности. В промышленных установках это происходит на тарелках.

Каждая находящаяся в колонне тарелка, называется физической (ФТ). Она нужна для того, чтобы между жидкой и паровой фазами как можно быстрее достигалось состояние равновесия. Пузырьки пара проходят сквозь находящийся на ФТ слой флегмы. В результате ускоряется массовый и тепловой обмен между фазами. Но, после прохождения пара через одну ФТ равновесия еще не будет, потому что КПД данного элемента колеблется в пределах от 50% до 60%. Таким образом, чтобы получить равновесное состояние фаз, которое бы соответствовало одной теоретической тарелке (ТТ), надо поставить две ФТ. Это значит что, если по расчету требуется колонна на 40ТТ, то в действительности в нее надо ставить 80ФТ.

Установки для ректификации бывают непрерывные и периодические.

В первых жидкая смесь все время подается в колонну, и также постоянно из нее выводятся разделенные ингредиенты. Во вторых в куб сразу загружается определенное количество смеси, после чего аппарат работает до полной ее переработки.

В бытовых устройствах в качестве ректификационной колонны используется царга. Это труба диаметром от 30мм до 50мм, заполненная по всему объему насадками. Чтобы последние не высыпались, по краям ставят проницаемые для пара и капель пыжи. Состояние равновесия фаз достигается в том случае, когда пар проходит через некоторый слой царги, эквивалентный одной ТТ. Его высоту рассчитывают в миллиметрах и называют высотой единицы переноса.

Главные особенности ректификации: выделение нужного ингредиента в чистом виде и возможность разделения исходной смеси сразу на несколько компонентов. Чем выше колонна, тем медленнее идет процесс, но тем чище конечный продукт.

Процессы в виноделии

В отрасли изготовления алкогольных напитков, разница между дистиллированным и ректифицированным спиртом объясняется следующим образом. Дистиллят – это сырье, в котором остается органолептика (вкус и запах) исходного продукта. То есть, если делается напиток зерновой, то зерна, если яблочный – яблока и так далее. При этом в дистиллированном этиловом спирте еще есть множество примесей. Часть из них формируют вкус и запах. От прочих избавляются с помощью различных рецептов. Ректификат – это рафинированно очищенный спирт. Органолептика исходного продукта полностью отсутствует. В нем вкус и запах только спирта, и больше – ничего. На следующих стадиях технологического процесса, с помощью вкусовых добавок и ароматизаторов, в него вносят заданную органолептику, после чего получают широкий ассортимент наливок, настоек и прочего.

Исходя из этого, нельзя говорить, что один способ лучше, а другой – хуже. У каждого свое предназначение. Если, например, делается бренди со вкусом и ароматом винограда, то нужна дистилляция. После ректификации указанные особенности исчезнут. Для получения приятного аромата, дистиллированный спирт выдерживают в дубовых бочках. А для ректифицированного 96%-го спирта это бесполезно, он годится лишь для разведения, например, при изготовлении водки. К этому еще можно добавить, что оборудование для ректификации спирта стоит дороже, чем для дистилляции. К тому же, для проведения ректификации требуется дистиллированная брага.

Теоретические основы дистилляции

В смеси, состоящей из двух ингредиентов (одним из которых является жидкость, как основа раствора), концентрация растворенного вещества в жидкости С1 отличается от концентрации С2 его же в паре этой жидкости. Коэффициент разделения (распределения)

является характеристикой процесса. В некоторых случаях удобней работать с обратной величиной: А = 1 / В, которая называется так же. Данный параметр зависит от условий проведения дистилляции и природы веществ, составляющих смесь.

В зависимости от условий, коэффициент В может быть:

Идеальный. На него влияют только парциальные давления ингредиентов смеси (парциальным называется давление отдельно взятого газа, входящего в смесь из нескольких газов; то есть, это давление одного газа, которое у него было бы, если бы он занимал весь объем, который занимает смесь газов).

Равновесный. В этом случае число молекул газа Н, улетучивающихся из жидкости, равно числу его молекул Н1, которые возвращаются в жидкость за то же время.

Эффективный.

На практике на проведение дистилляции влияют перемешивание раствора и наличие в нем примесей. Присутствие последних может оказаться настолько значительным, что по разделению основного вещества и примесей эффективный коэффициент может очень сильно отличаться от идеального.

Не менее важными параметрами процесса являются температура испарения и степень отклонения системы от фазового равновесия между жидкостью и паром. Во время дистилляции:

Где НС – число молекул, переходящих в конденсат. Количественно отклонение определяется соотношением: НС / Н. В этом случае есть два предельных состояния системы. Если НС = 0, то имеет место равновесие, сколько частиц ушло из жидкости за единицу времени, столько же в нее и вернулось. Если НС = Н, то это молекулярная дистилляция, то есть, все частицы, испарившиеся из жидкости, перешли в конденсат. Обычно такое бывает, если процесс проводится в вакууме, давление пара небольшое, а расстояние от поверхности воды до точки конденсации минимальное. В этом случае частицы пара не сталкиваются, ни с молекулами воздуха, ни между собой.

Виды дистилляции

Описанный в начале статьи процесс, при котором жидкость нагревается и частично испаряется, а ее пары непрерывно отводятся в холодильник и там конденсируются, называется простой перегонкой. При работе с многокомпонентной жидкой смесью, применяется дробная перегонка или фракционная дистилляция. В этом случае ингредиенты смеси собирают в конденсат по частям, в зависимости от их летучести, начиная с самого низкокипящего.

Ректификация многими специалистами считается разновидностью дистилляции. Она происходит за счет того, что любая замкнутая система, состоящая из газа и жидкости, стремится к состоянию равновесия. А при ректификации рабочая (фактическая) концентрация ингредиентов паровой фазы отличается от той, которая должна быть, чтобы данная жидкость находилась в равновесии.

Дистилляция и ректификация – это два способа разделения компонентов жидкой смеси, в основе которых лежит один и тот же физический процесс. Но разные технологии их проведения позволяют получить на выходе совершенно различные результаты.

Процесс, заключающийся в превращении жидкости в пар, который затем снова конденсируется в жидкую форму. Простейшим примером может служить дистилляция воды, когда пар из чайника осаждается в виде капель на холодной поверхности.

Применение и история

Дистилляция используется для отделения жидкостей от нелетучих твердых веществ, как при перегонке спиртных напитков из сброженных материалов, или для разделения двух или более жидкостей с различной температурой кипения, как при производстве бензина, керосина и смазочных масел из нефти. Другие промышленные применения включают переработку таких химических продуктов, как формальдегид и фенол, опреснение морской воды.

Процесс дистилляции, вероятно, использовался еще древними экспериментаторами. Аристотель (384-322 гг. до н. э.) упоминал, что чистую воду можно получить путем испарения морской. Плиний Старший (23-79 гг. н. э.) описал примитивный способ конденсации, при котором масло, получаемое путем нагревания канифоли, собирается на шерсти, помещенной в верхней части перегонного куба.

Простая дистилляция

Большинство методов дистилляции, применяемых в промышленности и лабораторных исследованиях, являются вариациями простой перегонки. В этой базовой технологии используется куб или реторта, в которых жидкость нагревается, конденсатор для охлаждения пара и емкость для сбора дистиллята. При нагреве смеси веществ в первую очередь перегоняется наиболее летучее из них или то, у которого температура кипения минимальна, а затем дистиллируются другие, или не дистиллируются совсем. Такой простой аппарат прекрасно подходит для очистки жидкости, содержащей нелетучие компоненты, и достаточно эффективен для разделения веществ с разной точкой кипения. Для лабораторного использования части аппарата обычно делают из стекла и соединяют их пробками, резиновыми шлангами или стеклянными трубками. В промышленных масштабах оборудование делают из металла или керамики.

Фракционная дистилляция

Метод, называемый фракционной, или дифференциальной, дистилляцией, был разработан для нефтепереработки, потому что простая перегонка для разделения жидкостей, температура кипения которых мало отличается, неэффективна. При этом пары многократно конденсируются и испаряются в изолированной вертикальной емкости. Особую роль здесь играют сухопарники, фракционные колонны и конденсаторы, позволяющие вернуть некоторую часть конденсата назад в куб. Цель состоит в том, чтобы добиться тесного контакта между поднимающимися разными фазами смеси, чтобы только самые летучие фракции в форме пара достигали приемника, а остальное возвращалось в виде жидкости в сторону куба. Очищение летучих компонентов в результате контакта между такими противотоками называется ректификацией, или обогащением.

Многократная дистилляция

Данный метод еще называют многостадийным мгновенным испарением. Это еще один вид простой перегонки. С его помощью производится, например, дистилляция воды на крупных коммерческих опреснительных установках. Преобразование жидкости в пар не требует нагрева. Она просто попадает из емкости с высоким атмосферным давлением в емкость с более низким. Это приводит к быстрому испарению, сопровождающемуся конденсацией пара в жидкость.

Вакуумная перегонка

В одной из разновидностей процесса с пониженным давлением для создания вакуума используется вакуумный насос. Этот метод, называемый «вакуумная дистилляция», иногда применяется при работе с веществами, которые обычно кипят при высоких температурах или разлагаются при кипении в нормальных условиях.

Вакуумные насосы создают в колонне давление, которое значительно ниже атмосферного. В дополнение к ним используются вакуумные регуляторы. Тщательный контроль параметров очень важен, поскольку эффективность разделения зависит от различия в относительной летучести при данной температуре и давлении. Изменение этого параметра может негативно повлиять на ход процесса.

В вакууме, хорошо знают на нефтеперерабатывающих заводах. Обычные методы перегонки отделяют легкие углеводороды и примеси от тяжелых углеводородов. Остаточный продукт подвергают вакуумной дистилляции. Это позволяет отделить высококипящие углеводороды, такие как масла и воски, при невысоких температурах. Метод также применяется при разделении чувствительных к нагреву органических химических соединений и для восстановления органических растворителей.

Что такое дистилляция паром?

Паровая перегонка является альтернативным методом перегонки при температурах ниже нормальной точки кипения. Она применяется, когда дистиллируемое вещество не смешивается и химически не реагирует с водой. Примерами таких материалов являются жирные кислоты и соевое масло. В ходе перегонки в жидкость подается пар, который нагревает ее и вызывает испарение.

Дистилляция в насадочной колонне

Хотя насадочные колонны чаще всего применяются для абсорбции, они также используются для перегонки парожидкостных смесей. Такая конструкция обеспечивает большую площадь контактной поверхности, что повышает эффективность системы. Другое название такой конструкции - ректификационная колонна.

Принцип работы заключается в следующем. Сырьевая смесь компонентов с разной волатильностью подается в центр колонны. Жидкость стекает вниз через насадку, а пар движется вверх. Смесь в нижней части резервуара попадает в подогреватель и выходит из него вместе с паром. Газ устремляется вверх через насадку, подхватывая наиболее летучие компоненты жидкости, выходит из колонны и попадает в конденсатор. После сжижения продукт поступает в сборник флегмы, где он разделяется на дистиллят и фракцию, используемую для орошения.

Различная концентрация приводит к тому, что менее летучие компоненты переходят из паровой фазы в жидкую. Насадка увеличивает продолжительность и площадь контакта, что повышает эффективность разделения. На выходе пар содержит максимальное количество летучих компонентов, в то время как в жидкости их концентрация минимальна.

Насадки заполняются в навал и пакетами. Форма наполнителя может быть либо случайной, либо геометрически структурированной. Его делают из такого как глина, фарфор, пластик, керамика, металл или графит. Наполнитель, как правило, имеет размеры от 3 до 75 мм и отличается большой площадью поверхности, контактирующей с парожидкостной смесью. Преимущество заполнения в навал заключается в большой пропускной способности, стойкости к большим давлениям и низкой стоимости.

Металлические наполнители имеют высокую прочность и хорошую смачиваемость. Керамические обладают еще более высокой смачиваемостью, но они не такие прочные. Пластиковые достаточно прочны, но плохо смачиваются при низкой скорости потока. Поскольку керамические наполнители устойчивы к коррозии, они используются при повышенных температурах, которые пластик не выдерживает.

Пакетные насадки представляют собой структурированную сетку, размеры которой соответствуют диаметру колонны. Обеспечивают наличие длинных каналов для потоков жидкости и пара. Они дороже, но позволяют снизить перепады давления. Пакетным насадкам отдается предпочтение при невысокой скорости потока и в условиях низкого давления. Обычно их делают из древесины, листового металла или тканой сетки.

Применяются для восстановления растворителей и в нефтехимической промышленности.

Дистилляция в ректификационной колонне

Наиболее широкое распространение получили колонны тарельчатого типа. Количество тарелок зависит от желаемой чистоты и сложности разделения. Оно влияет на то, какой высоты будет ректификационная колонна.

Принцип работы ее следующий. Смесь подается посредине высоты колонны. Разница в концентрации приводит к тому, что менее летучие компоненты переходят из потока пара в поток жидкости. Газ, выходящий из конденсатора, содержит наиболее летучие вещества, а менее испаряемые выходят через нагреватель в поток жидкости.

Геометрия тарелок в колонне влияет на степень и тип контакта между разными фазовыми состояниями смеси. Конструктивно они выполняются ситчатыми, клапанными, колпачковыми, решетчатыми, каскадными и т. д. Ситчатые тарелки, в которых имеются отверстия для пара, используются для обеспечения высокой производительности при низких затратах. Более дешевые клапанные тарелки, в которых отверстия снабжены открывающими и закрывающими клапанами, склонны к засорению из-за скопления на них материала. Колпачковые снабжены колпачками, позволяющими пару проходить через жидкость сквозь крошечные отверстия. Это самая передовая и дорогая технология, эффективная при низких скоростях потока. Жидкость течет от одной тарелки к другой вниз по сливным вертикальным трубам.

Тарельчатые колонны часто используются для восстановления растворителей из технологических отходов. Также они применяются для восстановления метанола при операции сушки. В качестве жидкого продукта выходит вода, а летучие органические отходы переходят в паровую фазу. Вот что такое дистилляция в ректификационной колонне.

Криогенная перегонка

Криогенная дистилляция заключается в применении общих методов перегонки к газам, охлажденным до жидкого состояния. Система функционирует при температурах ниже -150 °С. Для этого используются теплообменники и змеевики. Вся конструкция называется криогенным блоком. поступают в блок и перегоняются при очень низких температурах. Колонны криогенной дистилляции могут быть насадочными и пакетными. Пакетный дизайн более предпочтителен, поскольку насыпной материал менее эффективен при низких температурах.

Одним из основных применений криогенной дистилляции является разделение воздуха на составляющие его газы.

Экстрактивная перегонка

В экстрактивной ректификации используются дополнительные соединения, которые действуют как растворитель для изменения относительной летучести одного из компонентов смеси. В экстрактивную колонну к разделяемым веществам добавляется растворитель. Компонент сырьевого потока, который требуется извлечь, соединяется с растворителем и выходит в жидкой фазе. Другой компонент испаряется и выходит в дистиллят. Вторая перегонка в другой колонне позволяет отделить вещество от растворителя, который затем возвращается на предыдущий этап, чтобы повторить цикл.

Экстрактивная ректификация применяется для разделения соединений с близкими температурами кипения и азеотропных смесей. Экстрактивная ректификация не так широко распространена в промышленности, как обычная дистилляция, из-за сложности конструкции. Примером является процесс получения целлюлозы. отделяет целлюлозу от лигнина, а вторая перегонка позволяет получить чистое вещество.

Основные виды концентрирования, очистки и разделения веществ.

В настоящее время существует значительное количество методов разделения, концентрирования и очистки веществ и создаются все новые в связи с актуальностью задач получения и анализа суперчистых материалов с заданными свойствами, например, для наноэлектроники, полупроводниковой и вычислительной техники, биологических препаратов нового поколения. Наиболее распространенными из них являются:

Ø методы испарения (перегонка, упаривание и отгонка);

Ø озоления;

Ø экстрагирования;

Ø осаждения и соосаждения;

Ø управляемой кристаллизации;

Ø сорбционные и ионообменные методы;

Ø электрохимические методы.

Применение каждого из методов очистки определяется как выбранной методикой анализа, так и физико-химическими свойствами системы (агрегатное состояние компонентов, химическая и термическая устойчивость веществ, содержание определяемого компонента в исходной пробе и т. д.). Как правило в основе процесса очистки лежит либо химическая реакция (реакции осаждения, ионного обмена, окисления), либо физический процесс (диффузия, адсорбция и десорбция, испарение и конденсация) (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – общие принципы и способы разделения компонентов на фазы (концентрирования и разделения веществ).

Учитывая многообразие способов концентрирования веществ, поясним значение некоторых терминов.

Разделение –это операция, в результате которой компоненты, входящие в исходную смесь, отделяются друг от друга.

Концентрирование – это процесс, в результате которого содержание определяемого или очищаемого компонента в веществе повышается, по сравнению с его исходным содержанием. Концентрирование может быть абсолютным и относительным .

Абсолютное концентрирование – это перевод микрокомпонента (примеси) из исходного образца большого объема или массы, в новый образец с меньшим объемом (массой). Такое концентрирование происходит при процессах экстрагирования, осаждения, перегонки и т. д.

Относительное концентрирование (обогащение) заключается в увеличении содержания интересующего компонента в исходном образце по отношению к другим компонентам или растворителю. Например, при упаривании раствора или озолении пробы.

Испарение – процесс перехода вещества из жидкой или твердой фазы в газообразную, который осуществляется тем или иным путем. Методы испарения можно реализовать в виде перегонки и отгонки (упаривания, выпаривания и возгонки).

Перегонка – это разделение жидких смесей, основанное на переводе летучего компонента в газовую фазу путем испарения его и последующей конденсацией.

Конденсат – продукт, образующийся при охлаждении газовой или паровой фазы.

Отгонка – удаление летучих компонентов из твердых веществ (порошков, кристаллов) или растворов при нагревании.

Упаривание – метод отгонки, в процессе которого происходит удаление части растворителя и летучих примесей в следствии длительного нагрева пробы. При упаривании часть основы (обычно растворителя) остается в образце.

Выпаривание (до суха) сопровождается полным удалением растворителя и летучих компонентов из исходного образца.

Возгонка или сублимация – это процесс, при котором твердое вещество переводят в газовую фазу минуя стадию плавления. Продукт конденсации, образующийся в процессе возгонки называют сублиматом .

Озоление – метод, при котором исходный образец путем нагрева переводят в минеральный остаток, называется золой . Его используют обычно при анализе различных веществ на содержание микроэлементов или общего количества органических веществ (анализ почв). Различают сухое озоление , когда пробу вещества калят в тигле при нагреве не выше 500ºС, и влажное (мокрое) . При влажном озолении исходную навеску вещества помещают в тигель и обрабатывают либо кислотами, либо ще6лочами, а образующиеся летучие продукты удаляются в процессе ее прокаливания. Озоление можно рассматривать как частный случай минерализации пробы.

Метод перегонки (дистилляция)

Перегонка (дистилляция) относится к группе методов, базирующихся на термическом испарении веществ, и применяется для очистки воды и разделения органических жидкостей с относительно близкими температурами кипения . Она основана на различии в летучести веществ . Сущность процесса перегонки заключается в том, что в испарителе смесь веществ (обычно раствор) нагревают выше температуры кипения наиболее летучего компонента. Образовавшаяся таким образом газовая (паровая) фаза имеет более высокую концентрацию летучего компонента, по сравнению с исходным раствором. Эту фазу затем охлаждают (конденсируют) в холодильнике, получая на его выходе конденсат (жидкость либо твердое вещество), обогащенный наиболее летучим соединением. При необходимости процесс повторяют до тех пор, пока не будет достигнута необходимая степень разделения или концентрирования компонентов.

Процесс перегонки можно охарактеризовать количественно, рассчитав коэффициент распределения D . Пусть имеется 2-х компонентная идеальная система А + В (отсутствует межмолекулярное взаимодействие, а компоненты химически инертны по отношению друг к другу). При нагревании такой системы до температуры испарения, например компонента А , получим газовую фазу, которая находится в равновесии с оставшимся раствором. При этом газовая фаза обогатится более летучим компонентом А , а в оставшемся растворе возрастет соответственно концентрация компонента В. Молярные доли компонентов А и В в обеих фазах связаны соотношением:

где у А и у В – молярные доли в газовой фазе; a = 1/D – коэффициент разделения (относительная летучесть); х А и х В – молярные доли компонентов в жидкой фазе. Учитывая, что x + y = 1 – сумма молярных долей компонентов в исходном растворе, и x A + x В = x; y A + y В = y, то коэффициент распределения D можно вычислить из соотношения:

D = . (2.2)

Формула (3.2) может быть преобразована с помощью уравнения Клаузиуса-Клапейрона в выражение для приближенного вычисления летучести компонентов:

lga = 8,9 . (2.3)

где Т кип (А) и Т кип (В) – температуры кипения разделяемых компонентов А и В соответственно. Из формулы 2.3 следует, что чем выше разница в температурах кипения разделяемых компонентов, тем выше степень их разделения в одностадийном процессе.

В пищевой, фармацевтической и химической промышленности дистилляция - это один из способов водоподготовки, который применяется наряду с ионным обменом. Для аналитических целей пригодна вода либо однократной очистки (дистиллят), либо двукратной – бидистиллят . Одностадийная дистилляция обычно используется для разделении веществ со значительной разницей в температурахкипения . При этом анализируемым компонентом может обогащаться как жидкая фаза, остающаяся после дистилляции, так и газовая фаза, а значит и образующийся конденсат Этот метод непригоден для азеотропных смесей (системы, в которых состав газовой и жидкой фазы одинаковы и находятся в состоянии равновесия). В этом случае полного разделения компонентов достичь невозможно.

Метод ступенчатой дистилляции (ректификации) осуществляют в специальных колоннах и используют при разделении на фракции многокомпонентных гомогенных смесей жидкостей с достаточно близкими температурами кипения . Он широко распространен в перерабатывающей промышленности, в частности, при получении продуктов перегонки нефти, таких как: петролейные эфиры, бензины, керосины и масла.

При очистке продуктов с низкой термической устойчивостью, присущей для некоторых органических и биологически активных веществ, осуществляют молекулярную дистилляцию - низкотемпературная дистилляция в высоком вакууме , которую проводят при остаточном давлении 1,3 – 1,8 кПа и ниже. В этом случае процесс разделения и концентрирования может протекать либо без нагрева, либо при температурах, значительно ниже комнатной. Молекулярная дистилляция используется при производстве фармацевтических препаратов и биоактивных пищевых добавок.

Методы отгонки.

Отгонку делят на простую или выпаривание и возгонку (сублимацию ). При выпаривании вещества удаляются в форме готовых летучих соединений. Осуществить выпаривание можно различными способами: нагреванием снизу (водяные и песчаные бани); сверху (инфракрасные лампы), используя сушку под вакуумом (лиофильная сушка ) - для исключения потерь связанной влаги или термически неустойчивых компонентов. Выпаривание позволяет к примеру, значительно повысить концентрацию солей в растворе (получение рапы).

Частный случай выпаривания – упаривание до суха . Этот прием применяют, когда необходимо или значительно повысить концентрацию нелетучего компонента, или растворитель и летучие примеси мешает проведению анализа. При упаривании вещество сначала длительно осторожно нагревают (выпаривают) до образования практически сухого остатка. Иногда применяют дополнительно прокаливание сухого остатка при более высокой температуре, чтобы удалить следовые количества растворителя. Качество выпаривания можно контролировать по изменению массы сухого остатка.

Отгонка будет более эффективна, если на вещество воздействовать еще и химически с помощью реагентов – сухая и мокрая минерализация . Минерализацию образцов широко используют в элементном органическом анализе. Пробу, органическую или биологическую, помещают в трубчатую печь или автоклав, через которую продувают воздух или кислород. В процессе окисления (сжигания) ее образуются летучие соединения такие, как CO, CO 2 , N 2 , SO 2 , SO 3 , которые легко могут быть определены с помощью специальных приборов – газоанализаторов или, после селективного поглощения (адсорбции ) газов, по стандартной методике. При сухой минерализации погрешность анализа выше, чем при мокрой . Это обусловлено потерями легколетучих компонентов и отчасти нелетучих, захватываемых каплями образовавшегося аэрозоля. Снижения потерь вещества при сухой минерализации можно добиться при использовании автоклавов (устройства для нагрева при повышенном давлении).

Мокрая минерализация заключается в воздействии на пробу минеральных кислот или щелочей в комплексе с окислителями (H 2 O 2 , KClO 3 , KMnO 4), растворение устойчивых соединений проводят в автоклавах при нагреве и повышенном давлении, а определение – в специальных камерах, соединенных с анализатором. Эффективно также применение ряда твердых, жидких и газообразных минерализаторов, способных селективно переводить некоторые труднорастворимые вещества в газовую фазу (галогены и галогеноводороды, CCl 4 , AlCl 3 , BBr 3).

Сублимация это вариант отгонки, который заключается в разделении веществ путем перевода одного или нескольких компонентов при нагревании в газовую фазу минуя жидкую . Для этой цели применяют устройства - сублиматоры , состоящие из испарителя и зоны сублимации с более низкой температурой (вплоть до отрицательных). В зоне сублимации при конденсации газов вновь образуется твердое вещество (сублимат). Этот метод можно использовать в том случае, когда разделяемые компоненты, например, плохо растворимы или трудно плавятся. Ограниченное применение сублимации обусловлено малым количеством пригодных для этой цели матриц. Примером сублимационной очистки в аналитических целях служит отделение кристаллического иода от нелетучих примесей.

На качество очистки при сублимации влияют размер частиц и однородность распределения компонентов в них. Поэтому более качественной будет отгонка в тщательно измельченных пробах, а также в тех, где отгоняется основное вещество (макрокомпонент) , а не примеси (микрокомпоненты ).

Для низко температурного полного обезвоживания неустойчивых веществ применяют низкотемпературную отгонку под вакуумом – сублимационная сушка , которую можно рассматривать как вариант лиофильной сушки, выполняемой в болеежестком режиме.

Метод экстрагирования.

Метод экстракционного разделения (экстракция ) широко применяется не только в химическом анализе, но и на производстве, так как позволяет сконцентрировать анализируемое вещество в небольшом объеме раствора. Процесс экстракции основан на избирательном извлечении одного или нескольких компонентов из смеси жидких или твердых фаз с помощью органического растворителя (экстрагента) не смешивающегося с водой. В основе процесса экстракции - различие растворимости компонентов смеси в водной и органическойфазах . В органических веществах (спиртах, эфирах, бензинах и т.д.) хорошо растворяются многие неорганические соли (нитраты, хлориды, роданиды) и комплексные соединения.

Более эффективно извлечение происходит при применении смеси экстрагентов. Явление возрастания степени извлечения при воздействии смеси экстрагентов называют синергизмом. Степень извлечения можно также повысить, добавляя в экстрагент экстракционный реагент, например, дитизон или оксихинолин, формирующие комплексы со многими катионами металлов. В результате проведения экстракции получается экстракт , который может быть как в виде раствора, так и сухого вещества (сухие экстракты ). Сухие экстракты обычно образуются из жидких путем их высушивания каким-либо способом.

К основным понятиям этого метода относят:

Ø реэкстракция – процесс извлечения выделяемого компонента из экстракта в водную или иную фазу;

Ø реэкстрагент – раствор реагента (чаще водный), используемый для извлечении вещества из экстракта;

Ø соэкстрагент – органический или иной растворитель, применяемый в смеси с основным экстрагентом с целью повышения селективности процесса или степени экстракции;

Ø синергизм – существенное повышение степени извлечения (экстракции) при использовании смеси экстрагентов, по сравнению с действием каждого из них по-отдельности;

Ø экстрагент – органический или иной растворитель, извлекающий компонент из водного раствора;

Ø экстракционный реагент – составная часть экстрагента, реагент, образующий с извлекаемым веществом хорошо растворимое в экстрагенте соединение, чаще всего - органический комплекс;

Ø экстракт – органическая фаза, содержащая выделяемый компонент;

Ø экстрактор – аппарат для проведения экстракции.

Конструкции экстракторов достаточно разнообразны (рис. 2.2) и подбираются в зависимости от условий проведения процесса и применяемых реагентов.

Рисунок 2.2 – схемы экстракторов различного назначения

(в – водная фаза; о – органический растворитель):

а – делительные воронки (случай, когда плотность экстрагента выше, чем водной фазы); б – прибор непрерывной экстракции (при плотность экстрагента ниже, чем воды).

Различают: периодическую экстракцию (выполняется отдельными порциями экстрагента), непрерывную (при постоянном перемещении фаз друг относительно друга, при этом водная фаза обычно неподвижна) и противоточную , где органическая фаза постоянно перемещается через серию экстракционных трубок, содержащих свежие порции водного раствора. В качестве простейшего экстрактора можно использовать делительную воронку с двумя кранами (рис. 2.2 – а), которая применяется для выполнения периодической экстракции . После заполнения воронки водно-органической смесью раствора, ее энергично встряхивают и дают отстояться, через нижний кран осторожно удаляют водный раствор (если плотность органического реагента меньше, чем водного), стараясь, чтобы экстракт остался в воронке. Разделение фракций протекает с высокой скоростью в течении 1 – 3 минут. Если плотность органической фазы выше, чем водной, то в нижней части воронки будет скапливаться экстракт, который затем также осторожно удаляется.

В данном материале речь пойдет об основном понятии в самогоноварении, а именно о значении и особенностях дистилляции и ректификации. Также можно будет узнать, в чем их отличия, и какие виды существют. Статья будет полезна для людей, что только начинают создавать домашний алкоголь и желают добиться качественного успеха.

Дистилляция

Дистилляция или перегонка – является своеобразным процессом, когда спиртовые пары начинают испаряться из подготовленной спиртосодержащей браги, после чего переходят в жидкую форму и выходят в виде конечного продукта – самогона. Процедура получения самогона через дистилляцию весьма простая. Вода закипает при 100 градусах, а вот спирт при 78 градусах. Испарение спиртов происходит быстрее, чем у воды, между двумя такими показателями. После охлаждения он конденсируется за счет чего дистиллят можно перегнать несколько раз. Повторная перегонка повышает крепость напитка, а также очищает его. Но нужно знать, что у первых 100 грамм продукта получается высокая крепость, но вместе с тем, данный напиток пить нельзя, поскольку в его составе много вредных примесей. Поэтому первую часть рекомендуется выливать или применять, чтобы разжигать огонь.

Первый полученный продукт в самогоноварении называется «головой». Именно такая жидкость собирается в отдельную посуду, а потом убирается, дабы основной дистиллят не смешивался. В перегонном кубе, куда закладывается брага, после чего ставится на огонь для получения самогона, через определенный промежуток времени спиртовая концентрация сокращается. Это можно выявить по возрастанию температуры в холодильной камере. В данном случае процедуру перегона нет смысла проводить до 100 градусов, поскольку спирт будет испарен и начнет испаряться вода.

Вторая часть, которую нельзя пить называется «хвост». В ней также много вредных веществ и у нее неприятный запах. «Хвост» это последняя часть получаемого спиртного. Такой алкоголь начинает стекать, когда крепость конечного продукта снижается и становится менее 40%. Но хвостовая часть может подвергаться вторичной дистилляции, чего нельзя делать с «головой». Правда, использовать конечный продукт, можно будет только для технических целей.

Виды дистилляции

Дистилляция существует двух видов и делится на:

1. Простую, когда перегон не разделается на «хвост» и «голову». В данном случае конечный продукт требует повторного перегона.
2. Фракционную, когда происходит разделение самогона на разные части, в зависимости от состава фракций. Средняя часть называется «сердце», именно ее и можно потреблять. Степень очистки получается высокой, а у продукта крепость будет колебаться в пределах от 50 до 70%.

Еще дистилляцию разделяются на:

1. Паровую. При таком виде используется парогенератор. Стоит отметить, что парогенератор и многоуровневая дистилляция позволяют получать продукт отличного качества, но есть и существенный недостаток, что заключается в габаритах устройства, не в каждом помещении получится использовать такое оборудование.
2. Двойную. Данная методика заключается на основе паровой и вакуумной дистилляции. При первом перегоне потребуется сделать вторичную перегонку, для получения более качественного напитка. Как результат из самогона крепостью 40 градусов, получается, улучшить качество водки и поднять крепость до 60 градусов. Дальнейшая перегонка увеличивает крепость до 96%, но все вредные примеси будут оставаться, в отличие от ректификации, через которую, получается, сделать чистый спирт.
3. Вакуумную. Применяется для перегона нефти, поэтому нет смысла останавливаться на данном виде.

Ректификация

Такой метод перегона используется, чтобы производить этиловый спирт. Производя его применяется специальное оборудование под названием ректификационная колонна. Такое устройство может разделить жидкую смесь на разные части, за счет чего конечным продуктом получается чистый спирт, без посторонних примесей, запаха и вкуса. Кроме спирта обладатели колонны могут создавать настойки и прочие напитки, без наличия вредных веществ. Получаемый алкоголь будет наивысшего качества.

Еще оборудование может использоваться в качестве дистиллятора, чтобы производит самогон. Без колонны производится не настолько крепкий алкоголь, а также уменьшается производительность.

Разница дистилляции и ректификации

Дистилляция позволяет сделать самогон, когда ректификация производит чистый спирт без каких-либо примесей, используя самогон, крепость которого 40% и полученный он через дистилляцию. Это означает, что обходиться без самогонного аппарата не рекомендуется, поскольку при перегоне браги через колонну будет забиваться нижняя часть устройства.

Современные дистилляторы имеют много видов и в некоторых есть улучшения, которые позволяют очищать конечный продукт от вредных примесей и других частиц, за счет чего, получается, добиться чистого самогона. Кроме того, в продаже есть универсальные устройства, что используются для ректификации и дистилляции одновременно.

В общем оба продукта полученные разными путями сразу нельзя будет пить, поскольку спирт следует разбавлять, а самогон – очищать. Нужно запомнить, что дистилляция позволяет добиться ароматных напитков, которые пахнут и оставляют прикус фруктов, злаков, ягод и другого сырья, используемого для браги. Ректификация данного результата не сможет дать и на выходе будет напиток с нейтральными вкусами. Продукт ректификации используется для дальнейшего приготовления настоек, наливок, но можно потреблять в качестве чистой водки.