Teoria destylacji jeszcze raz.

Wielu z kolegów sięga coraz głębiej w tajniki destylacji przy budowie aparatury, jak też i w celu lepszego zrozumienia samego procesu i teorii. Skompilowałem szybkie, kolejne 'spojrzenie' na aspekty teorii samego procesu z nadzieją, że wyjaśni ono pewne zjawiska Wam tak, jak wyjaśniło mnie.

Komentarze i dyskusja mile widziana.
J


Teoria destylacji jeszcze raz.

Spójrzmy jeszcze raz, z bliska, na proces destylacji. Nie jest w zasadzie dla nikogo z nas tajemnicą jak otrzymać wodę destylowaną. Woda z kranu podgrzewana jest do stanu wrzenia (100*C) w jakimś naczyniu, które ma tylko ujście do rury gdzie para wodna jest chłodzona i skraplana. Jest to destylacja prosta, której poddany jest jeden składnik – woda. Po tym procesie otrzymany destylat pozbawiony jest takich zanieczyszczeń jak wapień czy chlorki, kurz, bakterie czy wirusy – te pozostają w naczyniu , w którym woda jest odparowywana.
Bardziej nas interesującym rodzajem destylacji jest destylacja frakcyjna,w czasie której można oddzielić dwie ciecze o różnych temperaturach wrzenia. Tu interesuje nas rozdzielanie i oddzielenie alkoholu od wody. Jest to możliwe dzięki temu, że czysta woda wrze w temperaturze 100*C zaś alkohol etylowy z 4 procentami wody wrze w temperaturze 78,1*C. Należy pamiętać, że 'jakaś' mieszanina wody i alkoholu będzie wrzała w temperaturze pomiędzy 78.1*C a 100*C.
Aby obliczyć w jakiej temperaturze będzie wrzała mieszanina (nastaw) z zawartością x% etanolu należy podstawić wartość 'x' (jako wartość ułamkową np. 15% jako 0,15; 17% jako 0,17) do wzoru podanego niżej:

t.w.miesz. = 60.5726*C (x⁴) - 163.16*C (x³) + 163.96*C (x²) - 83.438*C(x) + 100

Przykład: jeśli nastaw na moc 15% (x=0,15) wtedy:
t.w.miesz. – temperatura wrzenia mieszaniny;

t.w.miesz. = 60.5726*C (0,15⁴) - 163.16*C (0,15³) + 163.96*C (0,15²) - 83.438*C(0,15) + 100 = 90,65*C!
t.w.miesz. = 90,65*C!

Aby obliczyć jaka będzie zawartość etanolu w oparach ponad wrzącą mieszaniną stosujemy drugi wzór, w którym też należy zamiast 'x' podstawić moc procentową nastawu:

%alk. par = -94.7613*C(x⁸⁾ + 450.932*C(x⁷⁾ - 901.175*C (x⁶) + 985.803*C(x⁵) - 644.997*C(x⁴) + 259.985*C(x³) - 64.505*C(x²) + 9.71706*C(x)

Przykłąd: jeśli nastaw ma moc 15% (x = 0,15) wtedy:
% alk. par – procent etanolu w parach;

% alk. par= -94.7613*C(0,15⁸) + 450.932*C(0,15⁷) - 901.175*C (0,15⁶) + 985.803*C(0,15⁵) - 644.997*C(0,15⁴) + 259.985*C(0,15³) - 64.505*C(0,15²) + 9.71706*C(0,15) = 62,25*C

% alk. par = 62,25%!

! - w/w wzory podają przybliżone (woda/etanol) wyniki.

Wyobraźmy sobie szklany słój częściowo wypełniony mieszaniną wody i etanolu w jakiejś temperaturze (np. pokojowej). Słój, po usunięciu powietrza (teoria) jest zamknięty i podłączony do balona w celu utrzymania stałego ciśnienia atmosferycznego i odcięcia dopływu powietrza. W naczyniu jest ciśnienie atmosferyczne niczym nie zakłócane.
Po jakimś czasie ilość pary wodnej i ilość pary etanolu (każda ciecz paruje w dowolnej temperaturze) w mieszaninie gazowej ponad cieczą osiągnie wartość stałą – zależna od temperatury i ciśnienia. System z cieczą i oparami osiągnie równowagę, w której nie następuje już zmiana stosunku woda/etanol tak w mieszaninie cieczy jak i w mieszaninie oparów.
Ponieważ alkohol jest substancją 'bardziej parującą' niż woda zawartość etanolu w oparach naszego systemu będzie wyższa niż zawartość wody. Właśnie to zjawisko pozwala na oddestylowanie coraz bardziej skoncentrowanej zawartości alkoholu z mieszaniny woda/etanol.
Umożliwiając kontrolowaną, następującą po sobie serię oddzielnych zjawisk: odparowanie (para), skraplanie (ciecz), odparowanie (para), skraplanie (ciecz), stopniowo zwiększamy zawartość etanolu w następnych parach. Proces ten następuje stopniowo (10-12 razy) w kolumnach rektyfikacyjnych półkowych; następuje zaś bezstopniowo w kolumnach wypełnionych np. zmywakami.
Wymienione wyżej związki i zachowania mieszaniny etanol/woda są zjawiskiem, które występuje do momentu aż zawartość etanolu w oparach ustali się na 95,6% etanolu. W tym momencie mieszanina (95,6% etanolu + 4,4% wody - wagowo) ciągle odparowuje jednak zawartość etanolu już się nie rośnie. Taka mieszanina woda/etanol nazywa się Azeotropem i jej nie da się rozdzielić dalszą destylacją bez dodania trzeciej cieczy (np. benzenu) lub poddania mieszaniny innemu procesowi rozdzielania.
Opisane wyżej zjawisko występuje w temperaturze pokojowej pod ciśnieniem atmosferycznym. Możliwa jest więc taka destylacja bez używania dodatkowego ciepła – problem w tym, że tak przeprowadzana destylacja np 1L nastawu trwałaby najprawdopodobniej wiele lat.
Dostarczając energię cieplną przyspieszamy tempo tego procesu tysiące razy; tak samo można to tempo przyspieszyć obniżając ciśnienie w systemie. Aby jednak destylacja w próżni miała jakiś sens, ciśnienie w systemie musi być wyjątkowo niskie – a to nie jest dla nas, amatorów, możliwe do osiągnięcia.

Tłumaczone bez zezwolenia ze źródeł: Purdue University, homedistiller.org.

Wszystko ładnie pięknie tylko jest tu mała nieścisłość, którą warto zaznaczyć by potem nie było rozczarowań. Mianowicie wartość azeotropu jest jak najbardziej prawidłowa dla % wagowego, Niestety jest on dla nas trochę wirtualny ponieważ wszystkie nasze areometry pokazują % objętościowy Rożnica niby niewielka, ale jednak zawsze. 95,6% wagowego odpowiada 97,2% objętościowego. Te 1,6% powoduje wydłużenie HEPT sprężynek prawie o drugie tyle.

Dzięki za zwrócenie uwagi. W opisie azeotropu dodałem, że procent podany jest jako wagowy.

Dawno temu procent spirytusu czy wódek podawano jako wartość wagową (95%). Ze względu na chytrość producentów zmieniono miarę na objętościową bo można na nalepce drukować tą samą liczbę 95% z dodatkiem 'obj.'. Chodziło o to aby sprzedawać mniejszą ilość etanolu za 'tą samą' cenę - znaczy robić nas w trąbę czy inaczej nabijać w butlę...

Mieszkam w Australii i używam ciągle alkoholomierza wskazującego procent wagowy.

O a to ciekawe byłem przekonany, że takich nie ma.

Ano są takie, są również wagowe. Przyznaję, że popełniłem błąd oczekując, że ktoś może takie rzeczy pamiętać, zauważyć czy wiedzieć przecież to historia nikomu nie przydatna...

Pwódzenia

J