О Самогонных аппаратах в домашних условиях

 

ПЕРЕГОНКА

или о самогонных аппаратах в домашних условиях

(Часть первая)

Рубрика «Химия для жизни»

 

Что такое самогонный аппарат – не знает в нашей стране только младенец.
Причём каждый четвёртый знает его устройство и химию процесса.
При этом половина из тех, кто знает, считает себя в этом деле экспертом.
Куда нам в этом блоге с экспертами, потому мы не будем говорить о самогонном аппатате в контексте именно этого процесса, а поговорим о перегонке, как химическом и физическом процесе в целом.

Итак, что такое перегонка?
Это процесс испарения какой-либо жидкости (смеси жидкостей) с последующей конденсацией паров в другой ёмкости, вновь в виде жидкости.

Зачем она нужна?

 Для однокомпонентной жидкости – для очистки.
Для двух и более компонентной – для разделения компонентов друг от друга (насколько это разделение возможно, а это бывает не всегда).

Сегодня давайте не будем углубляться и рассмотрим однокомпонентную систему. К примеру, вы пошли в поход, куда-то в горы. Забрели, разбили лагерь. У вас под боком  есть вода, много воды… Из грязной мутной горной речки после весеннего паводка, вперемешку с илом и микрофлорой, а также непонятной химией с соседних полей/лугов/деревенских туалетов/Черкесского химзавода. А вода вам нужна – на себе много не унесёшь. И сидеть весь следующий день под кустиком вместо пути с рюкзаком по трассе вам не сильно улыбается. Вам нужна вода, но как её очистить простейшим из способов? Знаю-знаю, закипятить и дать илу отстояться – но мы же не ищем лёгких путей? Да и химию таким способом из воды не уберёшь, только микрофлору.
Так что…

Всё просто.
Ставишь на костёр закрытую ёмкость, от крышки которой отходит отводная трубка. Второй конец присоединяешь к холодильнику, на выходе из которого – ёмкость-приёмник. В качестве холодильника в полевых условиях те, кто остужал дома компот, могут предложить конструкцию типа «ёмкость в ёмкости», «кастрюля в кастрюле». В большую условную «кастрюлю» постоянно протоком подаётся хладагент (холодная вода),  с другой стороны «кастрюли» эта вода выливается. В процессе нахождения вода снимает тепло с другой «кастрюли», маленькой, так же закрытой крышкой, плавающей  внутри первой. К ней подаётся трубка с парами от закрытой ёмкости (что висит на костре, давайте назовём её котёл), и в ней эти пары конденсируются, отдавая тепло проточной воде.
Осаждённый конденсат из оной «кастрюли» вытекает в приёмную ёмкость. Всё, у вас есть питьевая вода, граждане туристы, жить вы будете, и даже долго!

Здесь я привёл для иллюстрации самогонный аппарат, как наиболее наглядную конструкцию из всего, что есть в интернете. Наш народ знает толк в перегонке! J Здесь 1 – котёл, 7 – холодильник (большая кастрюля), 6 – маленькая кастрюля, видоизменённая в… Об этом поговорим ниже. И, наконец, приёмный сосуд, куда капает конденсат.

Итак, продолжим.

Рассмотрим физику процесса, что в нашей системе от чего зависит.

Кипячение на костре… Это кипячение – ни добавить, ни убавить.
Тут, кроме подкидывания дров, придумать что-либо сложно. Однако если сделать штуцер выхода паров из котла как можно меньшим диаметром, то парам придётся преодолеть некое давление (пусть и небольшое) чтобы выйти на свет божий и идти в холодильник. И пока пары не достигнут оного давления, они… Так и будут болтаться под крышкой котла. То есть, в котле на костре создаётся избыточное давление. А это значит, повышается температура кипения нашей воды. А это в свою очередь значит, что у нас растёт эффективность процесса, его КПД (коэффициент полезного действия). То есть, на то же количество полученного в итоге дистиллята мы потратим меньше дров и угля. Мелочи? А в масштабах крупных производств очень даже приятно!

Далее, наш «продвинутый» охладильник. Какая физика в нём? Тоже вроде как элементарная, согласно банальной логики, даже не дотягивая до учебника за седьмой класс. Как происходит теплопередача от внутренней кастрюли к воде? Через поверхность контакта. То есть чем больше поверхность контакта, тем больше теплопередача, тем лучше пары будут остывать, да?

О, решение! А давайте внутреннюю касрюлю сделаем большой! Почти такой же по размерам, как и внешняя, через которую идёт проток хладагента! Тогда и поверхность теплопередачи будет больше!

Нет, не получится. Больше внутренняя кастрюля… И пары, не задерживаясь в ней, будут выскакивать наружу вместе с конденсатом. Конденсата может вообще не быть – не успеет осаждаться. Надо не просто физически увеличить поверхность, а сделать это… При том же объёме внутренней кастрюли!

Как это?

Ну, для сравнения… Представьте стакан. Обычный, которыми в советские годы пили газировку из автоматов.
Представили его внешнюю боковую поверхность? А теперь вытяните этот стакан вверх и вниз, делая его всё Уже и Уже. Очень-очень длинный стакан, длиной метра два-три! Правда при этом до безобразия тонкий. Прямо трубка стеклянная. А теперь представьте поверхность этой трубки и сравните с поверхностью исходного стакана. Правда, больше? И намного! А объём её будет тем же самым – 250 советских автоматовых миллилитров!

То есть мы плавно подошли к слову, знакомому всем экспертам по самогоноварению, и слово это – «змеевик».
Трубка из хорошо проводящего тепло материала, имеющая огромную внешнюю поверхность. При этом тонкая, то есть парам внутри негде разгуляться – они так или иначе в процессе столкнуться с поверхностью трубки. Трубка узкая, то есть создаёт сопротивление парам, проходящим сквозь неё – не даёт им идти просто так. Только через силу… Под давлением. То есть давление в котле над костром ещё увеличивается, что есть хорошо. Трубка загнута, идёт спиралью (чтоб поместьться в большой кастрюле холодильника), что создаёт дополнительную турбулентность, перемешивание паров при прохождении, а следовательно дополнительное касание парами стенок и дополнительную интенсивность теплообмена. С какой стороны ни посмотришь – везде плюсы!

Есть и другие способы интенсифицировать процесс теплообмена, но, пожалуй, не будем уж очень углубляться.

Где ещё мы можем что-либо сделать, чтобы получить больше дистиллята (то есть готового продукта, сконденсировавшихся паров – они так научно называются)? Котёл – интенсифицировали. Внутренний сосуд в холодильнике змеевицирова…
То есть интенсифицировали. Где ещё можно что-то выиграть с точки зрения физики?

Есть ещё один момент.

Согласно науке термодинамике, КПД любого процесса тем выше, чем выше разность температур между холодным и горячим концом рабочего тела. А в холодильнике что у нас рабочее тело? Хладагент, правильно. Он же – проточная вода. Нам надо сделать её температуру на входе в большую кастрюлю как можно меньше, а на выходе – как можно больше. То есть чем более горячую воду мы сливаем – тем лучше. То есть нам надо сделать так, чтобы проточная вода находилась в кастрюле холодильника как можно дольше. Так?

Давайте примем температуру холодной воды постоянной, неизменной (какая есть, такую и льём). Так что работать мы можем только с горячим «концом» сосуда, то есть с температурой на выходе. Давайте сделаем проток таким маленьким, чтоб сливать на землю почти кипяток? Что произойдёт?

К сожалению, ничего хорошего не выйдет. Дело в том, что кроме входа и выхода протока хладагента, нужна ещё разница температур между входом и выходом в маленькой кастрюде, то есть в нашей с вами вытянутой трубке (она же змеевик). Ведь получается что, пар входит в трубку, хочет отдать тепло стенке… А стенка уже горячая! Может и хотела бы нагреться, да не может – своё тепло некуда девать. Мешает. И чем горячее вода в кастрюле, тем меньше пар отдаст тепла, тем меньше сконденсируется дистиллята, тем меньше мы получим питьевой воды на выходе. Воды на охлаждение, конечно, потратим мало, но вот и пить нам, туристам, вечером в лагере под «изгиб гитары жёлтой» будет нечего. И супчик не сварганить – тоже не на чем.
Так что надо или что-то думать, или  назад в пастораль вперёд за дезинтерией!

Примем, что температура «горячего конца» малой кастрюли, то есть паров на входе в холодильник,  постоянна, как и температура хладагента. Мы не можем на неё влиять – она зависит только от температуры кипения на нашей высоте (мы ж в горах). Значит, надо сделать так, чтобы температура дистиллята на выходе была минимальной! Как, если температура в кастрюле по сути постоянна? Регулировка её одна, больше проток хладагента – вода холоднее. Меньше – горячее. Больше проток – больше длистиллята, но и больше воды надо на охлаждение.
Меньше проток – меньше воды, но и с дистиллятом начинаются сложности. Как быть?

А что если большую кастрюлю… Тоже превратить в трубу? И как-то спаять/залепить эти две трубы, внешнюю и внутреннюю, вместе? Полученная система называется «труба в трубе», это, кстати, вполне научное название.
Что происходит тогда?

Вот кстати один из рисунков со схемой такого холодильника, да ещё с какой-то рекламкой.
Правда ничего сложного? Только тут идёт нагревание, а не охлаждение, но принцип охлаждения тот же, просто стрелочки в другую сторону направлены.

А вот тогда… Все наши проблемы решены. Мы регулируем проток, регулируя тем самым температуру хладагента на выходе, и с нашим змеем  с нашей трубкой внутри контактирует по убывающей вначале горячая вода, затем всё холоднее и холоднее…
И на самом выходе дистиллят омывается самым холодным хладагентом, только-только вошедшим в нашу систему.

Не верьте самогонщикам, никакие они не эксперты! Кастрюля со змеевиком – дёшево, но совсем даже не эффективна!

Ах да, забыл уточнить. Ток хладагента должен быть направлен в сторону, обратную току конденсирующихся паров, ему навстречу. Почему?
А сами подумайте.

…Ладно, если лень, поясню – иначе и та, и другая жидкость взаимно охладят/нагреют себя до определённой почти одинаковой температуры, и всё. КПД будет совсем не идеальным. Хотя дистиллят мы получим, но ведь мы только что выяснили про змеевик и кастрюлю – зачем, если у нас уже готовая система из трубы в трубе?

Итак, подведём итог по физике перегонки.
Для проведения оной у нас должен быть:

- хорошо закрытый котёл с небольшим диаметром штуцера, чтоб создать давление паров внутри:

- холодильник, в идеале по типу «труба в трубе», в котором конденсат и хладагент движутся навстречу друг другу;

- внутренняя трубка (с конденсатом) должна быть узкой, чтобы создать дополнительное давление, и длинной, чтоб поверхность контакта была больше.

- ну, и исходный хладагент похолоднее – меньше его для работы потребуется.

Надеюсь, физика понятна – ничего, в общем, сложного. На выходе получаем дистиллированную воду, очищенную от всех примисей и биологии. Врачи дистиллированную воду, конечно, пить не рекомендуют, но когда больше нечего, а надо – сойдёт.

 

А вот реализация всего вышесказанного в простой настольной лабораторной установке.
Как видите, всё то же самое – колба  на горелке (котёл), стеклянный холодильник,  приёмный сосуд  … И да здравствует дистиллированная вода!

Кстати, когда автор этих строк учился в институте, именно так оную воду на химкафедре и добывали, пока ректор не расщедрился на «взрослый»  аквадистиллятор.
Но вы никому не говорите, это между нами, а то вдруг кому-то по прошествии лет станет стыдно!

 

В следующей статье продолжим говорить о перегонке, на сей раз двухкомпонентных систем. Да-да, их самых, гусары молчать!
Там тоже много интересного в физике процесса.

Но – не всё сразу.