Теоретические основы перегонки и ректификации

Зрелая бражка является многокомпонентной системой. Она содержит 82-90 % воды, 4-10 % сухих веществ, 6-10 % об. этилового спирта с сопутствующими примесями. Летучих примесей найдено свыше 70-ти, и они составляют не более 0,5 % от содержания этанола.

Различают 4 группы летучих примесей: спирты, альдегиды, эфиры и кислоты. Кроме них, имеются азотистые соединения (в виде аммиака, аминов, аминокислот) и серосодержащие (сероводород, сернистый ангидрид). Примеси частично переходят из сырья, воды, вспомогательных материалов, образуются при приготовлении сусла, но, главным образом, при брожении.

Этиловый спирт вместе с летучими примесями выделяют из бражки в процессе перегонки. Полученный спирт называется спирт-сырец (если перегонку осуществляли на брагоперегонных аппаратах) или бражный дистиллят (если процесс проводили на брагоректификационных установках).

Процесс очистки спирта-сырца или бражного дистиллята от примесей и укрепление спирта называется ректификацией, а полученный спирт - ректификатом.

В настоящее время выпускают 6 сортов спирта-ректификата: первого сорта, высшей очистки, «Базис», «Экстра», «Люкс», «Альфа». Кроме того, в небольшом количестве вырабатывают абсолютный спирт (крепость не менее 99,8 %) и безводный спирт (крепость 100 %).

В процессе перегонки летучую часть бражки рассматривают как бинарную (двойную) смесь, состоящую из воды и этилового спирта с примесями. Летучесть отдельных компонентов смеси характеризуется коэффициентом испарения (К).

К = У/Х,

где У - концентрация данного вещества в паровой фазе;

Х - концентрация данного вещества в жидкой фазе при условии равновес-ного состояния фаз.

При перегонке состав паровой и жидкой фаз определяется двумя законами Д.П. Коновалова и правилом М.С. Вревского.

1-й закон Коновалова. При перегонке в парах увеличивается концентрация того компонента, прибавление которого к жидкой смеси повышает упругость пара смеси, т.е. понижает температуру кипения смеси. Следовательно, при перегонке водноспиртовой смеси (бражки) в парах будет преобладать тот компонент, который имеет более низкую температуру кипения, т.е. спирт (температура кипения этилового спирта 78,3 ºС, воды - 100 ºС).

2-й закон Коновалова. Процесс разделения смеси на два компонента идет до определенного момента или точки, где состав жидкой и паровой фаз становится одинаковым. Такая точка называется азеотропной или точкой нераздельного кипения (У = Х, К = 1, температура кипения смеси равна 78,15 ºС). В этот период водно-спиртовая смесь перегоняется как один компонент. Крепость спирта в этой точке 97,2 %.

Законы Коновалова Д.П. действуют при атмосферном давлении.

Согласно правилу Вревского М.С. состав пара при перегонке зависит от давления. При повышении давления больше атмосферного из двух жидких компонентов в парах будет возрастать относительное содержание того компонента, испарение которого требует больших затрат энергии, т.е. пар будет обогащаться водой. Следовательно, для того чтобы получить более высокую концентрацию спирта (больше 97,2 %), необходимо вести перегонку при давлении меньше атмосферного, т.е. под вакуумом.

При ректификации летучую часть бражки рассматривают как многокомпонентную смесь, состоящую из этилового спирта и примесей.

Летучесть примесей характеризуется коэффициентом ректификации (К_р) - отношением коэффициента испарения какой-либо примеси (К_пр), содержащейся в водно-спиртовом растворе, к коэффициенту испарения этилового спирта (К_эс).

К_р = К_пр / К_эс.

Коэффициент ректификации показывает, как изменяется содержание примеси в паровой фазе по отношению к этиловому спирту.

По степени летучести примеси делят на 4 группы (фракции): головные, хвостовые, промежуточные, концевые.

Головные примеси обладают большей летучестью, чем этиловый спирт при всех его концентрациях в растворе. К_р > 1. Дистиллят содержит больше примесей, чем этилового спирта, так как температура кипения примесей меньше температуры кипения этанола. К этой фракции относятся уксусный, масляный альдегиды, уксусноэтиловый, диэтиловый эфиры, акролеин и др., но в основном альдегиды и эфиры. Поэтому данные примеси называют еще эфиро-альдегидной фракцией (ЭАФ).

Хвостовые примеси имеют всегда меньшую летучесть, чем этиловый спирт. К_р < 1. К ним относятся уксусная кислота, фурфурол.

Промежуточные примеси обладают двояким свойством. При высоких концентрациях спирта в растворе они отгоняются как хвостовые примеси (К_р < 1), а при низких концентрациях - как головные (К_р > 1). При определенных концентрациях спирта К_р = 1, т.е. они не отделяются от этанола. К промежуточной фракции относят изобутиловый, изоамиловый, пропиловый спирты, изовалерианоизоамиловый, изомасляноэтиловый и некоторые другие эфиры. Данные примеси составляют основу сивушного масла.

Концевые примеси. Характер их отгонки так же зависит от концентрации спирта. При высоких концентрациях спирта в растворе имеют характер головных примесей (К_р > 1), а при низких концентрациях - хвостовых (К_р < 1). К этой фракции, в основном, относится метиловый спирт.