РУКОВОДСТВО ПО РЕКТИФИКАЦИИ СПИРТА
С помощью лабораторного оборудования периодического действия. В этом руководстве изложена теория и практика получения этилового спирта-ректификата. В абсолютно доступной форме излагается классическая теория тепло массообменного процесса, который является основой для получения спирта. Приведена конструкция типовой лабораторной ректификационной колонны периодического действия и даны пояснения для правильной и осознанной работы на этом устройстве.
Руководство поможет закоренелым самогонщикам переосмыслить отношение к процессу приготовления своего «продукта», и наконец, произвести в домашних условиях именно ту самую, настоящую «русскую водку» (смешав 200мл своего высококачественного 96% спирта с 300мл родниковой воды), которую так ценят за рубежами нашей Родины.
Книга может бьггь полезна студентам вузов в качестве дополнительного материала к лабораторному практикуму по ректификации и всем, любознательным и рачительным хозяевам, которые ставят перед собой задачу комплексной и безотходной переработки сельскохозяйственного сырья и самостоятельного приготовления спирта-ректификата для собственного хозяйства.

1. Откуда берется спирт как химическое вещество
Этиловый спирт (этанол, винный спирт) - С2Н5ОН — бесцветная жидкость с характерным запахом. Получается сбраживанием пищевого сырья, гидролизом растительных материалов и синтетически - гидратацией этилена. Очищается ректификацией.
Синтетический путь получения этанола достаточно сложен, а результатом является технический спирт-ректификат, содержащий большое количество не отделяемых ректификацией примесей. Этот путь широко применяется в промышленности.
Другой путь получения спирта более доступен и связан с технологией сбраживания простых сахаров дрожжами. Именно так получается обычное вино и именно поэтому первое имя этилового спирта — винный спирт. Химическая формула этого превращения в очень упрощенном виде выглядит так:
C6H12O6 = 2 C2H5OH + 2 СО2 + ТЕПЛО.
Т.е. из одной молекулы сахара с помощью дрожжевых клеток образуется две молекулы этилового спирта, две молекулы углекислого газа и выделяется приличное количество тепла.
Для определения соотношения массовых превращений достаточно подставить в предыдущую химическую формулу мольные массы атомов: водорода Н=1, углерода С=12 и кислорода O=16:
(12*6+1*12+16*6) = 2*(12*2+1*5+16+1) + 2*(12+ 16*2),
или 180 = 92 + 88;
и тогда можно сделать вывод, что из 180кг сахара получается 92кг спирта и 88кг углекислого газа. Таким образом, теоретический выход спирта из сахара составляет 0.511кг/кг, а учитывая плотность этилового спирта (р = 0,8кг/л), будет равен 0,64л/кг.
Если спирт получают не из сахара, а из сахаросодержащего сырья (виноград, сахарная свекла, топинамбур и т.д.), тогда, зная сахаристость продукта, легко определить выход из него спирта. Так, например, если яблоки содержат 12% сахара, то теоретический выход спирта из сока этого сырья (выход сока из яблок составляет 70%) будет равен 54мл/кг
(0,7*0,12%)=0,084*0,64=0,054 л.
1кг (яблоки) = 0,7 кг (сок) = 0,084кг (сахар) => 0,054л (спирт).
Чаще всего спирт получают из крахмалосодержащего сырья (картофель, зерно и т.д.). Тогда в технологической цепочке приготовления спирта появляется процесс осахаривания крахмала — превращение (гидролиз) крахмала сырья под воздействием определенных ферментов в сахар
(C6H10O5)n+ n*Н2О+ ФЕРМЕНТ = n*С6 Н12О6,
а затем производится его сбраживание.
Как и в предыдущем случае можно рассчитать, что из 1кг крахмала теоретически получается 1,11кг сахара. Зная содержание крахмала в сырье можно легко определить выход спирта из того или иного продукта. Так, например, если в пшенице содержится 60% крахмала, то теоретический выход спирта из такого зерна составит 0,426л/кг:
0,6кг (крахмал) *1,11=0,666 (сахар) *0,64=0,426 (спирт)
1кг (пшеница) => 0,6 кг (крахмал) => О,666кг (сахар) => 0,426л (спирт).
Практический выход спирта всегда на 10...15% меньше теоретического. Такие потери считаются нормальными и, главным образом, связаны с:
 недобродом, то есть с ситуацией, когда часть сахара остается в бражке и не превращается в спирт;
 неправильным брожением, то есть когда часть сахара превращается не в спирт, а в некоторые другие вещества примеси;
 прямыми потерями, когда часть спирта просто улетучивается вместе с углекислым газом в процессе брожения, или теряется при перегонке и ректификации.

2. Теплофизические свойства водно-спиртовых растворов.
Свойства абсолютизированного 100% этилового спирта (ЭС) с практической точки зрения мало интересны (tкип=78,3оС при 760мм.рт.ст., р=790кг/м3 ). Поэтому, здесь мы разберемся со свойствами бинарной (двойной) смеси ЭС + вода, дающими полное представление о работе ректификационного оборудования и получения на нем этилового спирта-ректификата.
2.1. Концентрация спирта.
Всем известно, что ЭС очень хорошо растворяется в воде образуя бинарную водно-спиртовая смесь (раствор), которая может содержать в себе любое количество спирта.
В случае использования тех или иных справочных данных необходимо четко различать два понятия концентрации спирта в водно-спиртовом растворе - массовая и объемная концентрации. Массовая концентрация спирта используется только для физических расчетов, анализа процессов горения и др. Массовая концентрация - это масса спирта в массе раствора ( обозначается как % масс., или кг/кг, или r/г). Чаще и традиционно используется понятие объемной концентрации спирта — это объем спирта в объеме раствора (обозначается как % об., или м /м, или л/л, или мл/мл). Эта некоторая «путаница» в концентрациях возникает из-за разной плотности спирта (р=790кг/м3=0,79г/мл) и воды (р=1000кг/м3=1г/мл). Разница в цифрах объемной и массовой концентраций одного и того же раствора существенна, поэтому далее мы будем пользоваться только понятием объемной концентрацией спирта.
Для определения объемного содержания спирта в растворе – концентрации спирта в жидкости (Х) используются специальные спиртометры: АСП-3 0...40%, АСП-3 40...70%, АСП-3 70...100%, АСП 95...105%, АСП-2 96...101%, с термометром АСПТ 60...100%. Стоит отметить, что плотность водно-спиртового раствора сильно зависит от его температуры, а все эти приборы измеряют именно плотность, раствора (используют силу Архимеда). Поэтому реальное содержание спирта в растворе совпадает с показаниями этих приборов только при 20оС, что и указано на шкалах этих приборов.
Наиболее известными растворами являются водка - 40% и спирт-ректификат - 96,4%. Кстати, содержание спирта в бражке находится в пределах 7...12%, но измерять эту концентрацию с помощью спиртометров нельзя из-за наличия в бражке остаточного сахара и других примесей, влияющих на плотность раствора, и соответственно, искажающих показания прибора.
Пары ЭС также хорошо растворяются и в парах воды и образуют с ними единую паровую смесь с концентрацией спирта в них У, которую можно определить только после конденсации этих паров - т.е. в жидкости (как в предыдущем случае) или по температуре их парообразования при 7бОмм.рт.ст.
2.2. Температура кипения водно-спиртовой смеси.
Естественно, температура кипения раствора двух веществ - воды (tкип=lOOоC при 760мм.рт.ст) и этанола (tкип=78,3оС при 760мм.рт.ст) должна находится между температурами кипения индивидуальных веществ. Зависимость температуры насыщенного водно-спиртового пара или температура кипения (парообразования) этой бинарной смеси от концентрации спирта в парах Y представлена на рис.l.
Стоит обратить внимание, что на этом графике существует некоторая точка А с концентрацией 96,4% температура в которой даже меньше температуры кипения 100%-го этанола.
2.3. Равновесие фаз.
Равновесным состоянием фаз (жидкой и парообразной) называется такое их сосуществование, при котором не происходит никаких видимых качественных или количественных изменений зтих фаз. Равновесие фаз считается достигнутым только в том случае, когда одновременно удовлетворяются два условия: равны температуры фаз и равны парциальные давления каждого компонента в паровой и жидкой фазах; Второе условие означает, что процесс перехода через границу раздела фаз каждого компонента из жидкой фазы в паровую фазу и обратно завершен. Т.е. составы жидкой и паровой фазы стабилизировались, а концентрации компонентов в отдельно взятой фазе одинаковы в каждой точке ее объема.

Для бинарной водно-спиртовой смеси это теоретическое высказывание означает очень простую вещь. Если в обычную колбочку (схематично нарисована внутри графика рис.2) налить небольшое количество водно-спиртовой смеси с концентрацией Х и нагреть до температуры кипения этой смеси, то в образовавшемся паре концентрация спирта будет Yn. Затем, если быстро закрыть колбочку и интенсивно встряхнуть (перемешать паровую и жидкостную фазы), то температура внутри колбочки выровняется, а пар и жидкость придут в равновесное состояние — с концентрациями в них спирта Y и Х соответственно
Если такие опыты провести для разных концентраций водно-спиртовых растворов, то можно получить некоторую зависимость равновесия фаз — кривая равновесия фаз. График кривой равновесия фаз для бинарной смеси чистый спирт + чистая вода представлен на рис.2
Теоретическая и практическая значимость кривой равновесия фаз с точки зрения процесса ректификации спирта очень велика, но к этому мы вернемся позднее в разделе «Ректификация», а сейчас покажем, как этой кривой пользоваться..
Например, при обычной перегонке бражки с концентрацией спирта Х=10% образуется пар с концентрацией в нем спирта Y=42%, а после его конденсации мы получаем «самогон» (конденсат, дистиллят) той же «крепости». Таким образом, если самогонный аппарат не снабжен какими-нибудь дополнительными «прибамбасами», то получить более крепкий самогон таким способом теоретически просто невозможно. Таким же образом можно «предугадать» с помощью той же кривой и результат повторной перегонки «первача» - из 40%-го дистиллята второй перегонкой можно получить 60%-ый «самогон».
Рассматривая этот график, стоит обратить внимание на диагональ Y=X. Именно благодаря тому, что почти вся кривая равновесия лежит выше этой диагонали, можно при испарении водно-спиртовой смеси получать концентрацию спирта в арах большую, чем его концентрация в исходной жидкости. Исключением вляется только точка А - пересечение кривой равновесия с диагональю, где Х=У=96,4%. Это особая точка азеотропы.
Азеотропными или нераздельно кипящими называют смеси, у которых пар, находящийся в равновесии с жидкостью, имеет тот же состав, что и жидкая смесь (X=Y). При перегонке азеотропных смесей образуется конденсат того же состава, что и исходная смесь. Разделение таких смесей перегонкой и ректификацией исключается.
Водно-спиртовая смесь в особой точке азеотропы называется «этиловый спирт-ректификат (СР)». Именно к этой точке стремится процесс ректификации, именно она является предельной концентрацией спирта в этом процессе, и именно в этой точке водно-спиртовая смесь имеет минимальную температуру кипения
(tкип=78,15''С при 760мм.рт.ст.
2.4. Основные свойства спирта-ректификата
На этот продукт существует ГОСТ 5962-67, в котором регламентируется концентрация спирта в спирте-ректификате от 96% до 96,4% и его состав. Приведем некоторые физические свойства этилового спирта-ректификата
Плотность жидкости (при 20''С) 812 кг/м''( 0.8кг/л)
Плотность паров (при 760 мм.рт.ст.) 1,601 кг/м
Температура кипения (при 760 мм.рт.ст) 78,15 ''С
Удельная теплота парообразования 925 кДж/кг