Дистилляция. Часть 1.

Дистилляция. Часть 1.

Физические основы дистилляции

Пришло время поговорить о процессе, ответственном за получение основного продукта, используемого в баре — крепкого алкоголя. Дистилляция (или перегонка), с одной стороны, достаточно очевидный и знакомый нам процесс, с другой стороны  —  в нем столько нюансов и тонкостей, что до сих пор нет единого мануала, предсказывающего все возможные результаты дистилляции алкогольных напитков. 


Дистилляция (от лат. distillatio стекание каплями) — извлечение жидкости путем кипячения раствора, в котором она содержится, с последующим охлаждением паров для их конденсации и сбора. 



Основной физический процесс, лежащий в основе дистилляции — кипение. В предыдущей статье в рамках рассмотрения физики образования льда мы коснулись такого понятия, как фазовый переход. Кипение тоже относится к фазовому переходу I рода, только здесь вещество переходит из жидкой формы в газообразное. Во время кипения происходит разрыв межмолекулярных связей, и на это требуется достаточно много энергии (ее называют теплотой испарения). Например, для превращения 1 г воды в пар требуется 539 калорий, что примерно в 6,7 раз больше, чем количество энергии, необходимое для плавления 1 г льда. Температура кипения (как и температура плавления) зависит от давления. Чем ниже давление, тем ниже температура кипения, и наоборот. 

График зависимости температуры кипения воды от давления 


Испарение и конденсация, которые лежат в основе процесса дистилляции, непосредственно связаны с кипением. 


Смесь этанола и воды является гомогенной бинарной смесью. И в зависимости от соотношения этанола к воде, температура кипения смеси будет в промежутке 78,3 ºС и 100 ºС (температура кипения воды при нормальном давлении  — 100 ºС, а этанола при тех же условиях  — 78,3 ºС). 

Зависимость температуры кипения водно-спиртовой смеси от содержания спирта и давления над ее поверхностью  [3] 


При нагревании смеси в замкнутом пространстве происходит испарение воды и этанола, и образовавшаяся система жидкость-пар стремится к равновесию. Равновесным называется такое состояние системы, при котором установившиеся параметры системы (давление, температура, состав паровой и жидкой фаз) не изменяются со временем. 


Зависимость состава пара от состава жидкости качественно описывает первый закон Коновалова


Насыщенный пар по сравнению с равновесным раствором обогащен компонентом, добавление которого в системе повышает общее давление пара.


В нашем случае это означает, что концентрация этанола в паровой фазе равновесной системы будет больше, чем его концентрация в жидкой фазе. И после конденсации этого пара содержание этанола в получившейся жидкости сохранится. За счет этого после каждой последующей перегонки концентрация этанола будет увеличиваться до того момента, пока смесь не станет азеотропной (состав которой не меняется при кипении). Смесь вода-этанол достигает азеотропной точки при концентрации этанола около 96%, это означает, что дальнейшей перегонкой ее нельзя разделить на фракции. 


 Кривая фазового равновесия бинарной водно-спиртовой смеси при нормальном давлении ([4])


По графику достаточно просто можно определить крепость жидкости после перегонки. Например, если содержание этанола в исходной браге было 10% об., то после первой дистилляции его содержание поднимется до 53 % об. 


При производстве алкогольных напитков в большинстве случаев для дистилляции используется брага, состав которой гораздо более сложен, чем просто бинарная смесь вода-этанол. Помимо этих двух компонентов, в состав смеси входит большое количество летучих и нелетучих компонентов. Влияние этих компонентов на вкус и аромат мы рассматривали в этой статье. Композиция этих компонентов зависит от: базы, которая используется для ферментации; внешних условий ферментации; дрожжевых и бактериальных культур, которые инициируют брожение; длительности ферментации. 


К нелетучим компонентам относятся взвешенные частицы, минеральные вещества, сахара, не подвергшиеся ферментации, белки, дрожжевые клетки и пр. Летучие компоненты испаряются вместе с водой и этанолом, нелетучие остаются в перегонном аппарате. Подробнее спектр летучих компонентов, а также влияние разных способов дистилляции на состав конечного продукта рассмотрим во второй части статьи про дистилляцию.  


Источники: 

  1. Wikipedia

  2. Китайгородский А. И., Ландау Л. Д. Физика для всех. Движение. Теплота.

  3. Е.С. Бунин, Ю.Н. Смолко. Теоретические исследования кинетики процесса нагрева водно-спиртовой смеси в конденсаторе теплового насоса.

  4. https://alcodistillers.ru/about.html

  5. Nermina Spaho. Distillation Techniques in the Fruit Spirits Production

  6. Sina Zereshki. Distillation: Advances from Modeling to Applications

Comments

Log in to leave a comment

Be the first who will comment it