Hiermee kun je de warmte- en massabalans rond een typische kolom met 4 trappen (schotels) modelleren.
De uitleg staat onderaan, ingeklapt.
Om dit model te draaien, kies je het vermogen in de ketel, de koelsnelheid bij de condensor (deze
waarden horen ongeveer gelijk te zijn), en de refluxverhouding (hoeveel vloeistof je terugvoert
de kolom in vs hoeveel je opvangt). Je kunt ook extra koeling instellen bij
een van de trappen (bijv. koelbuizen door de kolom).
Hoe lees je het? De zuiverheid & temperatuur worden al bepaald door het
damp-vloeistof-evenwicht. Elke trap hier is het eindpunt van een van de "stappen"
zoals eerder getoond in de sectie
Theorie. De kolom "Damp"
toont het dampdebiet dat de trap binnenkomt, zowel het totale debiet als het
debiet van alleen de ethanoldamp. De kolom "Vloeistof" is de hoeveelheid vloeistof die
de trap binnenkomt, totaal & ethanol.
Achtergrond: wat gebeurt er in de kolom?
Stel je een stuk van een destillatiekolom voor: hete opstijgende damp ontmoet koelere vloeistof
die er langs naar beneden druppelt (over je knikkers of RVS-schuurspons-vulling). Terwijl de damp
een beetje afkoelt en een deel met een hoog watergehalte uitcondenseert, komt genoeg warmte vrij om
de vloeistof op te warmen én een ethanolrijke damp uit die vloeistof te verdampen. Zo stijgt het
alcoholpercentage in de damp naarmate hij omhoog gaat. Elke gram water die condenseert, geeft genoeg
energie af om zo'n 2,6 g ethanol te verdampen.
Zet je halverwege de kolom een koelbron, dan verstoor je dit: de vloeistof wordt daar te koud en de
damp heeft niet genoeg warmte meer om er alcohol uit te halen — dat deel van de kolom doet dan
niets. Wat je wilt is een geleidelijke temperatuurovergang van de bodem (rond 96 °C) naar de top
(rond 78-79 °C). Isoleer de kolom, zodat onnodige warmteverliezen de energie niet uit de damp trekken.
Oefeningen
Probeer een paar oefeningen/voorbeelden hiermee ...
- Koelsnelheid - minimum & maximum De warmte die uit de kolom wordt afgevoerd moet
gelijk zijn aan wat erin gaat. Dit betekent dat er voor elk gegeven vermogen een minimumsnelheid
is waarmee je moet koelen (totaal van condensor-warmteverlies en extra verliezen).
Ga je onder het minimum, dan condenseert niet alle damp (de "onderkoeling"-waarde
wordt negatief (bijv. heter dan het dauwpunt)) en gaat verloren als damp
(handig om de boel in brand te steken).
Is de koelsnelheid te groot (bijv. 1400 W vs 1200 W), dan wordt het destillaat te koud, en
beïnvloedt het de bovenste paar trappen. Dat komt doordat er in de opstijgende damp niet genoeg warmte is om zowel de neerdalende vloeistof op te warmen (want
die is nu zo koud) als er de meeste ethanol uit te halen. Draai je koelwater in de praktijk dus niet
te snel - houd het destillaat redelijk warm.
- Doorvoer-koelbuizen - kijk wat er gebeurt als je halverwege de kolom extra koelt
(bijv. zet het warmteverlies bij trap 3 op 200 W). Het ethanoldampdebiet verbetert dan niet meer,
en dat deel van de kolom doet in wezen niets. Dat komt doordat de
enige beschikbare warmte (in de opstijgende damp) nu opgaat aan het opwarmen van de koude vloeistof daar
tot de evenwichtstemperatuur, en er zo geen ethanol uit de
vloeistof kan verdampen. Doe je koelen/condenseren in de praktijk dus helemaal BOVENAAN de kolom, en
niet halverwege. Zo komt de vloeistof bovenaan op de juiste temperatuur, zodat hij
daarna soepel de kolom af zakt, waarbij alle warmte in de damp wordt gebruikt om
ethanol uit de vloeistof te verdampen. Isoleer je kolom ook, om onnodige warmteverliezen te vermijden.
Hoe refluxen echt werkt
Bij het herlezen van de uitleg in "Moonshine made simple and still makers manual",
van Byron Ford, over hoe een refluxkolom werkt, blijkt dat er nog steeds
wat verwarring is over hoe refluxen precies werkt.
Als de damp van de wash komt, is het een MENGSEL van zowel ethanol- als
waterdamp. Zet je er iets kouds in de weg, dan condenseert het MENGSEL.
Je krijgt niet alleen de "zwaardere fracties" die condenseren terwijl de
"lichtere fracties" doorgaan. Als het zo simpel was, hoefden we alleen maar
iets tussen de ketel en de condensor te zetten op zeg 85-90 °C, en dan
zou al het water uitvallen, pure ethanol doorlaten, en in
één stap 100% zuiverheid leveren. Maar zo is het leven niet.
Wat er in plaats daarvan gebeurt is dat het koelere vloeistofmengsel naar beneden begint te druppelen,
de kolom af, langs de hete damp op zijn weg omhoog. Daardoor koelt
de damp een beetje af (een heel klein beetje). Terwijl dat gebeurt, merkt hij dat
hij nu meer alcohol & minder water kan vasthouden. Tegelijk merkt de vloeistof, terwijl hij
een beetje opwarmt, dat hij minder ethanol en meer water kan vasthouden. Om
terug naar "evenwicht" te komen, wisselen ze een beetje uit - de damp
neemt wat ethanol van de vloeistof, en de vloeistof neemt een beetje
water van de damp. De precieze inhoud van elk hangt af van de temperatuur.
Het totale effect is dat de damp rijker aan ethanol% wordt naarmate hij hoger
in de kolom komt (en in de koelere secties bovenaan de kolom),
mits hij langs vloeistof komt waarmee hij in "evenwicht" kan komen.
Vergelijkbaar resultaat, zeg je, met het gewoon "het water laten condenseren"?
Waarom is hij er zo verdomd pedant over? Omdat het niet helemaal hetzelfde is.
Als het "gewoon het water dat condenseert" was, had je geen vulling nodig
onder de "doorvoerbuizen". Je kon dan een heel erg korte kolom hebben,
met een hoop doorvoerbuizen om al het water eruit te slaan, en toch goede resultaten.
Maar zo werkt het niet. Wat er gebeurt is dat je een hoop van je
mengsel gaat recyclen, en er heel weinig langs sluipt naar de condensor.
Ga je gang, probeer het eens (sarcasme).
Je hebt het "evenwicht" nodig. Daarvoor is oppervlak nodig om
de vloeistof over uit te spreiden (in een dunne film), zodat de damp ermee kan
mengen. Daarom hebben we hogere kolommen nodig, met vulling erin.
Aha, zeg je - maar de "Still Spirits"-refluxstills zonder vulling
werken toch enigszins, halen zeg 75% zuiverheid, beter dan een gewone pot
still op 60% zuiverheid. Ja, dat komt doordat ze toch een beetje oppervlak
hebben waar de refluxvloeistof over uitspreidt - de wanden van de kolom op de
weg terug naar de ketel. Maar dat is echt ineffectief, want er is er niet veel
van. Let op de mooie resultaten die Mos&Liz en Kev haalden, simpelweg door er
wat vulling onder te doen, waar dezelfde hoeveelheid reflux over uitspreidt.
Tot in de midden-90%. Maakt verschil, hè? De zuiverheid is niet gestegen
omdat ze ineens meer vloeistof gingen refluxen, maar omdat ze het
een oppervlak gaven om over uit te spreiden.
Sorry als ik iemand tegen de haren instrijk door weer op mijn "stokpaardje" te zitten, maar het stoort
me als een boek over still-ontwerp het verkeerd heeft. Het zou je naar de
verkeerde beslissingen leiden bij het verbeteren van je still. Ja, lagere doorvoerbuizen
helpen als je je verwarmingselement te groot hebt gekozen, en je de
hoeveelheid damp die omhoog gaat moet beperken, maar ze doen niets voor
de zuiverheid. Alleen de vloeistof die over de vulling naar beneden druppelt doet
dat voor je.