Производство алкоголя

Перегонка

Очистку спирта производят перегонкой, в основе которой лежит испарение жидкостей и последующая конденсация их паров, двумя. физическими методами: дистилляцией и ректификацией. Дистил - * ляция (лат-distillatio — стекание по каплям) — перегонка жидкости с целью очищения. Дистиллат — OiaT. distillatus — стекший по каплям) — продукт дистилляции. Ректификация (лат. гесШсаНо — выпрямление) — способ тщательной очистки жидкости путем ее перегонки. Ректификат ^aT. rectificatus — исправленный) — продукт ректификации.

Обычно в спиртовой промышленности термины перегонка и дистилляция употребляются как равнозначные и обозначают процесс, конечным продуктом которого является спирт-сырец, а термином ректификация обозначают процесс тонкой очистки спирта-сырца от примесей с целью получения ректификованного спирта.

Поступающая на перегонку зрелая бражка содержит 8-10 об.% этилового спирта, свыше 70 об.% воды, а также значительное количество летучих и нелетучих веществ. Цель перегонки — получить максимально концентрированный этиловый спирт - сырец, то есть очистить его от воды и нелетучих веществ. Очистка спирта от летучих органических примесей на этапе получения спирта-сырца незначительна. Процесс перегонки подчиняется законам, сформулированным М. С.Вревским и Д. П.Коноваловым, описанным в [26,28 ]. Их понимание требует подготовки читателей по термодинамике и физической химии, что выходит за рамки популярного издания. Поэтому мы опишем перегонку в общедо­ступном виде.

В науке при рассмотрении сложных систем и явлений зачастую учитывают только их главные параметры и свойства, то есть они описываются простейшими (модельными) представлениями. Применительно к перегонке зрелой бражки модельные представления заключаются в том, что ее рассматривают как раствор, состоящий только из воды и этилового спирта. Это оправдано тем, что при обычно применяющихся температурах перегонки нерастворимые вещества, входящие в ее состав, являются практически нелетучими, а из числа летучих в зрелой

Бражке преобладают вода и этиловый спирт. Разумеется, что при рассмотрении процесса ректификации, то есть получения спирта с минимальным содержанием примесей, перегоняемая жидкость так рассматриваться уже не может.

Состояние растворов и процесс их перегонки количественно описываются рядом физических параметров, основным из которых, наряду с объемом, температурой и концентрацией, является давление насыщенных паров раствора и образующих его веществ.

Рассмотрим процесс испарения в общих чертах. При любой температуре над поверхностью раствора в парообразном состоянии находится определенное число молекул, входящих в его состав. При этом происходит постоянный обмен молекулами между жидкой и газообразной фазами: часть молекул из раствора испаряется, а часть возвращается назад в раствор. Если число частиц испаряющихся равно числу конденсирующихся, то такой установившийся процесс называют состоянием динамического равновесия. Если раствор поместить в замкнутый объем, то вначале равновесия не будет. Оно наступит только по истечении определенного времени. Пар, находящийся в равновесии с жидкостью, называется насыщенным паром. Давление насыщен­ного пара над раствором является величиной, постоянной при неизменной температуре. Состоянию равновесия отвечает определенная для данной температуры концентрация пара. С повышением температуры давление насыщенного пара повышается и в случае, коща оно достигает атмосферного, жидкость закипает. Если компоненты раствора летучие, то образующийся пар будет содержать молекулы всех веществ, входящих в состав раствора. В таком случае общее давление насыщенного пара над раствором Робщ будет равно сумме индивидуальных (парциальных) давлений, создаваемых молекулами этих веществ, то есть Робщ=Рі+Р2+...+Рп, ще Pi, Р2..., Pn — давление насыщенного пара отдельных веществ в объеме, равном объему этой смеси. Казалось бы, что парциальные давления насыщенных Паров компонентов раствора должны быть пропорциональными концентрации этих веществ в растворе. Однако это бывает только в том случае, коща молекулы компонент раствора близки по величине, строению, составу и не взаимодействуют друг с другом. На самом деле, в большинстве случаев молекулы веществ, образующие раствор, не просто равномерно распределены между собой, но и связаны химически, что сказывается как на свойствах растворов, так и на величине парциальных давлений их паров. Поэтому в большинстве случаев состав пара отличается от состава раствора и сложным образом зависит от него.

К такому типу растворов относятся и водно-спиртовые, особенности перегонки которых рассмотрены ниже.

В термодинамике для наглядности анализа процесса пользуются графическими (диаграммными) зависимостями тех или иных его параметров от других. К примеру [28], на рис. 16 представлена эксперимен­тально измеренная зависи­мость температуры кипения водно-спиртового раствора от его состава (кривая I). Кривая II характеризует зависимость состава его насыщенных паров от температуры кипения. Точ­ка В соответствует 100%-ному содержанию в растворе компо­нента с более низкой тем­пературой кипения (этиловому спирту), а точка А — 100%- ному содержанию компонента с более высокой температурой кипения (воде). Понятно, что при перемещении по горизонтальной кривой от А до В концентрация воды в растворе уменьшается, а этилового спирта увеличивается и, наоборот, при перемещении от В к А концентрация этилового спирта уменьшается, а воды — увеличивается. В рассматриваемом случае составу В соответствует температура кипения 78,4°С, составу А — 100°С. Анализ кривой I показывает сложный характер зависимости температуры кипения водно-спиртового раствора от его состава. В частности, в интервале концентраций между точками А и С, с увеличением концентрации спирта температура кипения раствора понижается от 100 до 78,13 С, после чего возрастает и достигает 78,4°С при 100%-ном содержании спирта. Прежде чем совместно рассмотреть кривые I и II, следует обратить внимание на то, что при кипении температуры раствора и его насыщенного пара равны. Поэтому на участке концентраций, например от А до С, составу раствора, обозначенному буквой Ni, при одной и той же температуре пара и раствора ti, будет соответствовать состав пара, обозначенный буквой N2, то есть доля спирта в паре и дистиллате из него будет больше, чем в растворе, из которого они образовались. Поскольку в процессе перегонки происходит постоянный уход испарившихся молекул за пределы перегонного куб, раствор в процессе перегонки будет обедняться спиртом. Следовательно, концентрация спирта в перегоняемом растворе будет непрерывно понижаться, а температура его кипения соответственно повышать­ся. В конечном итоге, в случае достаточно длительного подвода тепла к раствору с начальным составом Ni в результате перегонки, он разделится на две части: одну, состоящую только из вещества А, то есть воды, и вторую, представляющую собой водно-спиртовой раствор. Из кривой также видно, что кон­центрация спирта в этом растворе будет выше, а температура его кипения ниже, чем у исходного раствора с составом,

Обозначенным буквой Ni. Проводя ряд последовательных пе­регонок водно-спиртовых растворов со все возрастающей началь­ной концентрацией спирта, можно получить раствор состава С, кипящей при 78,13°С и содержащий 97,2 об.% или 95,57 мас.% спирта. Из раствора такого состава отделение спирта от воды невозможно вследствие их одинаковой испаряемости, благодаря чему состав раствора и его насыщенного пара одинаковы. Раствор указанного состава называется нераздельно кипящим или азе­отропним.

Проводя аналогичные рассуждения для состава раствора, находящегося между точками С и В (точки N4 и N3), можно показать, что раствор такого исходного состава путем перегонки можно разделить на чистый компонент состава В, то есть этиловый спирт, и азеотропний раствор состава С, из которого выделить этиловый спирт путем перегонки невозможно.

Для наглядности изложения, кривые рис. 16 изображены без соблюдения масштаба. Численные соотношения между составом водно-спиртовых растворов, температурами их кипения и соот­ветствующими этим температурам составами насыщенных паров определялись и уточнялись рядом исследователей. В табл. 25 представлены соответствующие значения, полученные Тренингом [2,8].

Несмотря на то, что в современной справочной научно-техни­ческой литературе приведены более точные таблицы, для бытовых целей точность приведенных данных вполне достаточна.

Из табл. 25 видно, что водно-спиртовому раствору с опре­деленным содержанием спирта соответствуют определенные тем­пература кипения и состав насыщенных паров. Например, при перегонке зрелой бражки с содержанием спирта 10 об.% ее температура кипения будет равна 92,6°С, а пары и соответственно конденсат из него, будут содержать 57,2% об. или 49,4 мас.% спирта. Разумеется, что эти цифры соответствуют только началу перегонки, а в ее процессе концентрация спирта в бражке и образующемся конденсате будут понижаться, а температура ее кипения повышаться. Но эти изменения всегда будут соответст­вовать приведенным в таблице численным параметрам. Если отсутствует спиртомер, то, определив температуру кипения бражки по термометру и приняв за начало кипения начало образования конденсата, можно на момент измерения температуры достаточно точно определить крепость бражки и получающегося дистиллата. Постоянно измеряя температуру кипения в процессе перегонки, с помощью табл. 25 можно непрерывно определять концентрацию спирта в бражке и конденсате.

Не менее важна для практического применения табл. 26, составленная Деницем на основе табл. 25, позволяющая производить ряд практически важных вычислений.

Пример. Необходимо определить: 1) вес конденсата, в котором находится весь спирт, содержащийся в поступившей на перепонку бражке; 2) содержание спирта

В конденсате, то есть его крепость; 3) вес неперегоняемого остатка, то есть вес барды. Пусть на перегонку поступило 100 кг бражки и с помощью термометра установлено, что температура кипения ее составляет 92,6°С. Тоща из табл. 26 видно, что указанной температуре кипения соответствует бражка, содержащая 10 об.% или 8,1 мас.% спирта и при перегонке 20,7 кг такой бражки вес остатка, не содержащего спирт, будет составлять 14,5 кг, а вес водно-спиртового раствора, в котором находится весь ранее находившийся в бражке спирт — 20,7 кг — 14,5 кг - 6,2 кг. Составив очевидную пропорцию, получим, что при перегонке 100 кг бражки в перегонном кубе должно остаться (14,5 кг х 100кг)/20,7 кг ~

- 70,05 кг не содержащего спирт остатка, а перегнать необходимо 100 кг — 70,05 кг - 29,95 кг водцо-спиртового раствора, в котором будет находиться весь спирт. Содержание спирта в дистилляте будет равно (8,1 кг/29,95 кг) х 100%-

- 27,0 мас% или 32,7 об.%. То есть его крепость будет равна 32,7°.

Проведя аналогичным образом измерения температуры кипения бражки с любым содержанием спирта, можно определить ее крепость, вес неперегоняемого остатка, вес и крепость дистил - лата.

В частности, из 100 кг бражки с объемным содержанием спирта 4 об.% получается 19,89 кг дистиллата с 16 мас.% или 19,7 об.% спирта;

6 об.% получается 23,67 кг дистиллата с 20,2 мас.% или

24.7 об. % спирта;

8 об.% получается 27,14 кг дистиллата с 23,6 мас.% или

28.8 об.% спирта.

Табл. 26 дает возможность определить крепость дистиллата и в случаа, повторной перегонки.

Например, в случае бражки с исходным содержанием этилового - спирта 10 об.% получается водно-спиртовскй раствор с со - г держанием спирта после:

. «О 5-237

1-ой перегонки — 27,0 мас.% или 32,7 об.% спирта

И-ой " — " 50,2 " — " — " 58,3 " — " — "

Ш-ей " — " 67,5 " — " — " 74,8 " — " — "

IV - ой " — " 77,1 " — " — " 83,2 " — " — "

V - ой " — 82,3 * — " — «♦ 87,3 " — " — ".

Пример. Необходимо определить вес и крепость дистиллата, получаемого в результате перегонки водно-спиртового раствора неизвестного состава, если процесс перегонки необходимо прекратить при содержании спирта в остатке, равном 10 об.% или 8,1 мас.%., Пусть, например, на перегонку поступило 100 кг раствора и с помощью термометра установлено, что температура кипения его равна 84,1 С. Тоща с помощью Табл. 26 определяем, что на перегонку поступил раствор, содержащий 40,0 об.% или 33,4 мас.% спирта. Далее, из этой же таблицы видно, что при перегонке 36 кг такого раствора получается остаток 20,7 кг с содержанием спирта 10,0 об.% или 8,1 мас.%. Отсюда, при поступлении на перегонку 100 кг водно-спиртового раствора, содержащего спирта 33,4 мас.%, вес остатка с 8,1 мас.% спирта! будет (100 кг * 20,7 кг)/36 кг - 57,5 кг, а вес дистиллата — 100 кг — 57,5 кг — 42,5 кг. Доля спирта в дистиллате будет: (100 кг х 33,4 мас.% — 57,5 кг х 8,1 мас,%>/42,5 кг - 67,6 мас.% или 74,7 об.%, то есть его крепость будет 74,7°. Всего в 42,5 кг дистиллата будет (42,5 кг к 67,6 мас.%)/100 мас.% - 28,7 кг спирта, а в 57,5 кг остатка — (57,5 кг х х 8,1 мас.%)/100 мас.% — 4,7 кг Спирта. В свою очередь, нз табл. 25 видно, что в начале перегонки дистиллят образовывался за счет паров, содержащих 82,3 об.% или 76,3 мас.%, а в конце 57,2 об.% или 49,4 мас.% спирта. За время перегонки температура кипения раствора повысилась от 84,1°С до 92,6°С.

На практике удобнее измерять объем, а не массу жидкости. Переход от единиц массы к единицам объема и от единиц объема к единицам массы можно - произвести с помощью табл. 27 по формуле Р = m/V, т и V — соответственно масса и объем водно-спиртового раствора. Например, водно-спиртовой раствор с долей спирта 32 мас.% имеет, плотность р = 0,9504 г/мл и содержит в 100 мл раствора 32 г спирта.

Перегонка при пониженном давлении. Из сказанного ранее следует, что температуры кипения чистых жидкостей и их растворов зависят от величины давления окружающей среды. Соответствующие значения для чистых жидкостей приведены в табл. 22, водно-спиртовых растворов — в табл. 28.

Из табл. 28 видно, что, понижая давление над бражкой, можно вскипятить ее и соответственно произвести перегонку спирта при более низких температурах, чем соответствующих, как обычно принято, атмосферному давлению. Указанный принцип перегонки не получил применения в спиртовой промышленности, но реализован в промышленных технологиях некоторых стран при производстве винного и плодово-ягодного спиртов. При этом качество спирта, перегоняемого при пониженных давлениях и температурах кипения, получается более высоким.