Berechnet den Verlauf von Destillationen mit Kolonnen und stellt sie graphisch dar.
Dargestellt werden die einzelnen Böden einer Kolonne.
Zuerst der Zustand nach dem Befüllen und Aufheizen des Kessels und Befüllen der Kolonne.
Danach kann die Destillation gestartet werden.
Es werden die Alkoholstärken auf den Platten, die Mengen und Alkoholstärken des Dampfes und des Reflux und alle Temperaturen dargestellt.
Und nach dem Starten der Destillation wird auch die Menge und Alkoholstärke des gesammelten Destillats, die verstrichene Zeit und die verbrauchte Energie angezeigt.
Die Auswirkung der Produktentnahme auf die Alkoholkonzentrationen in der Kolonne erfolgt bei diesem Rechner nicht nach McCabe-Thiele. Es werden zwar dieselben Siedediagrammdaten verwendet wie in unseren anderen Rechnern, aber anstelle nach den einfachen Regeln des McCabe-Thiele-Verfahrens werden die Werte nach folgenden Regeln berechnet:
Eine Berechnung unter Einhaltung dieser zwei Regeln kann nur durch eine Simulation geschehen. Der Rechner berechnet zuerst entweder bei 0 % oder bei 100 % Reflux grob die Verhältnisse in der Kolonne und berechnet dann in sehr kleinen Schritten, wie sich die Werte in der Kolonne langsam verändern. Wenn sich nicht mehr viel ändert, wird das Ergebnis angezeigt.
Diese Art der Berechnung braucht etwas Zeit. Deswegen reagiert dieser Rechner nicht ganz so schnell wie unser alter McCabe-Thiele Kolonnensimulator.
Deswegen und weil es dort nicht so wichtig ist, ist diese Art der Berechnung auch nicht in unseren Potstill- und Thumpersimulator eingebaut, sondern es wird dort weiterhin nach McCabe-Thiele berechnet.
Der Simulator berechnet auch den Kesselinhalt nach dem Befüllen der Kolonne. Das bedeutet, er zieht die sich in den Böden befindende Flüssigkeit vom Kesselinhalt ab, sodaß weniger Flüssigkeit mit normalerweise auch niedrigerer Alkoholstärke im Kessel ist, als mit den Schiebereglern "eingefüllt" wurde. Diese Flüssigkeit in der Kolonne nennt man auch "holdup". Am vol%-Schieberegler stellt man also die Alkoholstärke im Kessel vor dem Befüllen der Böden ein. Mit kleinen Schiebereglern kann man die liter im Kessel vor der Destillation und die ml der Böden eingeben. Will man diese Funktion nicht, also will man, daß im Kessel genau die Alkoholstärke und Menge ist, die man eingibt, kann man dafür die "ml pro Boden" einfach auf 0 stellen.
Die Platteneffizienz ist zwischen 50 und 100 % einstellbar. Eine Effizienz von 50 % bedeutet in unserer Rechnung, daß bei jeder Platte die Hälfte des von unten in die Platte strömenden Dampfes unverändert durch die Flüssigkeit in der Platte hindurchgeht. Diese also nicht vollständige Interaktion von Dampf und Flüssigkeit führt zu geringerer Alkoholaufkonzentrierung in der Kolonne.
Hat man eine Packungskolonne, sollte man den Effizienzregler normalerweise auf 100 % stellen, da eine bezüglich der Trennleistung einem realen Boden entsprechende Packungshöhe ja einen realen Boden mit 100 % Effizienz meint.
Die meisten Refluxdestillen haben einen Refluxkondensator, der den kompletten Dampf kondensiert. Die Trennung zwischen Produkt und Reflux ist dann entweder schon vor der Kondensation erfolgt, zum Beispiel bei VM, oder sie erfolgt danach, zum Beispiel bei LM. Bei dieser Vollkondensation haben der Dampf unter dem Refluxkondensator, der Reflux und das Produkt dieselbe Alkoholstärke. Die Temperatur des Reflux ist aber niedriger, und zwar genau eine Siedediagrammstufe niedriger. CM-Refluxdestillen dagegen haben einen Teilkondensator. Nur der Refluxanteil wird kondensiert, das Produkt strömt dampfförmig weiter zum Produktkondensator. Bei dieser Teilkondensation gibt es eine zusätzliche Alkoholkonzentrierung. Der Dampf über dem Refluxkondensator, der dann das Produkt bildet, hat eine höhere Alkoholstärke und niedrigere Temperatur als der Dampf unter dem Refluxkondensator und der Reflux hat sowohl eine niedrigere Alkoholstärke als auch eine niedrigere Temperatur als der Dampf unter dem Refluxkondensator. Dafür gibt es im Simulator einen Schalter, bei dem man zwischen Vollkondensation und Teilkondensation umschalten kann. Ist er auf Teilkondensation gestellt, kann man für die Teilkondensation eine Effizienz zwischen 70 und 100 % einstellen. 100% Effizienz bedeutet, daß durch den Kondensator bei 100 % Reflux eine Alkoholaufkonzentrierung von genau einem theor. Boden erzeugt wird und bei jeder Refluxeinstellung die Alkoholstärke des Dampfs über dem Teilkondensator und die des vom Teilkondensator herunterfließende Reflux' genau ein theor. Boden voneinander entfernt sind. Das ist es, was in der Theorie durch Teilkondensation erreicht wird. 70% Effizienz bedeutet, daß nur 70 % der Alkoholaufkonzentrierung erzeugt wird, welche bei 100 % Effizienz stattfinden würde. Und der Abstand der Alkoholstärken zwischen Produkt und Reflux ist dann geringer als ein theor. Boden. Das bedeutet auf den ersten Blick, daß man mit einem Teilkondensator mit 100 % Effizienz bis zu einem theor. Boden mehr erreichen kann als mit einem Vollkondensator. Dies trifft aber aus zwei Gründen nicht ganz zu:
Erstens gilt, daß wie ein realer Böden, der nur bei 100 % Reflux einen theor. Boden bewirken kann, auch ein Teilkondensator das nur bei 100 % Reflux kann, weil der Boden beziehungsweise die Teilkondensation ja nicht nur eine höhere Alkoholstärke des Dampfes darüber zur Folge hat sondern auch eine niedrigere Alkoholstärke des Reflux. Dieser alkoholärmere Reflux fließt nach unten und reduziert die Alkoholstärke in den unter ihm liegenden Böden, wodurch aus diesen Böden dann alkoholärmerer Dampf strömt, was die zusätzliche Alkoholaufkonzentrierung durch den Boden oder die Teilkondensation teilweise wettmacht. Die Simulation zeigt, daß bei einer Destille mit wenigen Böden durch Teilkondensation noch recht viel zu erreichen ist, bei einer hohen Kolonne für Neutralalkohol weitaus weniger. Weitere Informationen dazu: Teilkondensation
Die berechneten theor. Böden beziehen sich auf die Alkoholstärke im Kessel nach dem Befüllen der Kolonne. Also nicht auf die eingegebene Alkoholstärke vor der Destillation, sondern auf die tatsächliche aktuelle Alkoholstärke im Kessel.
Die Farben der Kolonne beziehen sich auf die Alkoholstärke. Der Farbcode ist: Schwarz für 0 vol%, rot für 50 vol%, gelb für 75 vol%, grün für 90 vol% und blau für 100 vol%.
Es kann zwischen g/min und ml/min umgeschaltet werden. Hierbei beziehen sich die ml auf das Volumen bei 20 °C. Denn auch die Einheit vol% bezieht sich definitionsgemäß ja auf 20 °C. Und 20 °C bedeutet natürlich flüssiger Zustand. Also 100 ml/min Dampf mit 50 vol%, bedeutet hier, daß er kondensiert und abgekühlt auf 20 °C 100 ml/min und 50 vol% hätte. Seine angezeigte Temperatur bezieht sich aber natürlich auf die konkrete Temperatur des Dampfes in der Kolonne.
Wenn man die Regler verändert, wird jedesmal neu ein Anfangszustand der Destillaion berechnet. Also der Zustand, der nach dem Aufheizen und Befüllen der Böden und vor dem Abzug von Destillat erreicht wird. Da beim Aufheizen und Befüllen sich aber noch keine stabilen Verhältnisse einstellen, sondern das etwas Zeit braucht, ist das nicht ganz realitätsnah.
Nach Berechnung des Anfangszustands kann die Destillation simuliert werden. Dabei werden die Menge und Alkoholstärke des gesammelten Destillats, die verstrichene Zeit und die aufgewendete Energie dargestellt und die Kolonne verändert sich mit der Zeit durch den sinkenden Alkoholgehalt im Kessel. Es können drei Geschwindigkeiten gewählt werden: ►, ►► oder ►►►. Mit ❙❙ kann die Simulation pausiert werden. Dann kann die Steuerung angepasst werden. Was angepasst werden kann, orientiert sich an der Praxis: Die Steuerung des Reflux, die Heizleistung, die Platteneffizienz, der Luftdruck und bei CM die Kühlwassereingangstemperatur. Dann wird der neue Zustand berechnet und die Destillation kann fortgesetzt werden. In der Praxis würde sich der neue Zustand natürlich erst mit Verzögerung einstellen. Mit ◾ beendet man die Destillation. Danach kann man mit dem Schieberegler ganz unten die Destillation nochmal durchgehen. Durch drücken auf Reset werden diese Werte gelöscht und es wird wieder ein Anfangszustand berechnet und angezeigt.
Es sind vier verschiedene Steuerungen der Kolonne berechenbar. Die ersten drei sind eher theoretische:
Die Nadelventile bei LM und RLM ändern ihre Durchflussmenge, wenn der Alkoholgehalt sich ändert. Wasser fleißt leichter durch Engstellen als Ethanol. Aber auch die Temperatur hat einen Effekt: Heiße Flüssigkeiten fließen leichter hindurch als kalte. Und die Temperatur wiederum hängt ja auch vom Alkoholgehalt ab. Und Nadelventile verringern den Durchfluß wiederum etwas mit steigender Temperatur. So lassen sie am Anfang der Destillation wesentlich mehr Destillat hindurch als wenn sie kurze Zeit später erhitzt sind. Aus praktischer Erfahrung wissen wir, daß eine LM bei sinkender Kesselalkoholstärke die % Reflux reduziert, wodurch die Alkoholstärke des Destillats dann zusätzlich sinkt. Dadurch sackt die Alkoholstärke gegen Ende der Destillation ohne Vorwarnung recht plötzlich ab, was einem das in denselben Behälter gesammelte saubere Destillat ruinieren kann. Das ist ein großer Nachteil bei diesem System. Deswegen verwenden manche lieber das etwas aufwändiger zu bauende RLM. Anders als bei LM sackt die Alkoholstärke hier nicht gegen Ende der Destillation ab, sondern die % Reflux erhöhen sich, was dem Absacken entgegenwirkt.
Das Verhalten von VM ist extrem komplex. Theoretisch scheint eine VM den Dampf in zwei Teile zu teilen und somit konstante % Reflux einzustellen. In der Praxis zeigt sich aber, daß es für den Dampf einen Unterschied macht, ob er hoch zum Refluxkondensator oder seitlich durchs Ventil zum Produktkondensator geht. Und das hängt nicht nur von den Rohrdurchmessern und dem Durchmesser des Ventils ab, sondern in großem Maße vom Alkoholgehalt des Dampfes. Dampf mit geringer Alkoholstärke geht grundsätzlich nur den Weg nach oben. Diese VM-spezifische Eigenschaft, auf 100 % Reflux zu schalten, wenn nicht mehr genug Alkohol kommt, wird oft "shut down" genannt, da sich die Destille quasi abschaltet, sobald kein genügend sauberes Destillat mehr zu holen ist. Woran das liegt, darüber gibt es bisher nur Vermutungen. Plausibel klingt, daß es an der sehr geringen Dichte von Wasserdampf liegt. Sie ist geringer als die von Luft. Ethanoldampf dagegen hat eine höhere Dichte als Luft. Dadurch könnte bei geringem Alkoholgehalt eine Art Kamineffekt entstehen, daß es also eine Luftbewegung vom Produktkühlerausgang hin zum oberen Ende vom Refluxkondensator gibt, welche verhindert, daß Dampf zum Produktkondensator geht. Der Weg zum Produktkondensator wäre ja dann die Gegenrichtung zur Luftbewegung. Versuche von uns haben aber ergeben, daß dieser Effekt nicht gestoppt wird, wenn man testweise den Refluxkondensator oben verschließt, es also keinen Luftzug geben kann. Das wirft diese Theorie über den Haufen. Nicht aber heißt es, daß die unterschiedlichen Dichten nicht trotzdem die oder zumindest eine Ursache für das VM-spezifische Verhalten sein können. Und das Verhalten von VM scheint sehr leicht gestört zu werden. Zum Beispiel kann man mit Reinpusten in eine der beiden Öffnungen die Destillatmenge verändern und dieser neue Zustand wird dann teilweise auch ohne weiteres Pusten beibehalten.
Man kann sich nicht gut auf den optischen Eindruck verlassen, wenn es darum geht, die Destillatsmenge richtig einzuschätzen. Alkoholreiches Destillat fließt viel gleichmäßiger als alkoholarmes und vermittelt dadurch den Eindruck, daß es eine größere Menge sein muss. Ein alkoholreicher Flüssigkeitsstrahl ist aber viel dünner als ein alkoholarmer, was man kaum sieht. Dadurch überschätzt man die Stärke eines Destillatflusses, je höher die Alkoholstärke ist.
Oder auch wenn man nur tropfenweise Destillat sammelt, kann man sich nicht darauf verlassen, daß 20 Tropfen 1 ml sind, wie man es oft liest. Das stimmt zwar sehr genau, wenn man Wasser aus einer Pipette tropft, weder stimmt es aber für Alkohollösungen getropft aus einer Pipette noch stimmt es für Wassertropfen aus einem Rohr. Einerseits sind Tropfen von Alkohollösungen kleiner als Wassertropfen, andererseits sind Tropfen aus einem Rohr wesentlich größer als aus einer Pipette. Hierbei geht es um Größenordungen einer Verdoppelung oder Halbierung.
Nun ist die Frage, was man mit dem Simulator anfangen kann, wenn doch die Steuerungen größtenteils theoretisch sind. Also wie weit das in die Praxis übertragbar ist. Grundsätzlich kann man mit den Steuerungen des Simulators echte Destillensteuerungen nachbilden. Also wenn man beispielsweise einstellt, daß 100 ml/min Produkt gesammelt wird, dann entspricht das jeder Destille, bei der man in der Realität 100 ml/min Produkt sammelt, egal ob es sich zum Beispiel um eine LM oder um eine VM handelt. Allerdings kann man in der Praxis nicht damit rechnen, daß diese 100ml/min konstant bleiben, wenn der Alkoholgehalt mit der Zeit sinkt. Deswegen wäre es schön, wenn man direkt LM oder VM anwählen könnte, wo das Verhalten dieser Steuerungen realitätsnah simuliert wird. Aus den oben genannten Gründen wird das aber extrem spekulativ und würde daher nur den Eindruck von mehr Nutzen vermitteln. Das ist ja ein Grundproblem von Berechnungen wie unseren: Daß zumindest Benutzer mit wenige Hintergrundwissen und ohne Geduld, die Anmerkungen genau zu lesen, eine absolute Genauigkeit vermuten.
Der Simulator berücksichtigt keine Heizleistungsverluste. Die Verluste sind eher pauschal als relativ. Also eine mit 1000 Watt betriebene Destille verliert nicht halb so viel wie eine mit 2000 Watt betriebene, sondern je nach Heizmethode (interne oder externe Beheizung) genau das gleiche oder nur etwas weniger. Eine Simulation von Heizleistungsverlusten hat unser Potstill- und Thumpersimulator. Hier kann man herumprobieren und vielleicht ein Gefühl dafür bekommen, wie viel Energie man verliert. In der Anmerkung dort steht mehr dazu.
Berechenbar sind Luftdrücke zwischen 80 und 10000 hPa. Die Berücksichtigung des Luftdrucks hat einen wesentlichen Einfluss auf das Ergebnis. Wird nichts eingegeben, geht der Rechner vom Normaldruck auf Seehöhe 1013.25 hPa aus.
Da fast niemand ein absolut genau anzeigendes Thermometer hat, kann zusätzlich ein "Thermometerfehler" angegeben werden. Dieser kann mit der Hilfe des Rechners Thermometerfehler bestimmt werden. Die hier berechneten Temperaturen sind dann die auf diesem Thermometer angezeigten, nicht die realen. Die anzugebende Kühlwassertemperatur bei CM muss aber die reale Temperatur sein, unabhängg vom eingegebenen Thermometerfehler.
Informationen über unsere Siedediagrammdaten und den Einfluss des Luftdrucks
Die Auswirkung der Produktentnahme auf die Alkoholkonzentrationen in der Kolonne erfolgt bei diesem Rechner nicht nach McCabe-Thiele. Es werden zwar dieselben Siedediagrammdaten verwendet wie in unseren anderen Rechnern, aber anstelle nach den einfachen Regeln des McCabe-Thiele-Verfahrens werden die Werte nach folgenden Regeln berechnet:
- Das, was jede Platte nach unten als Reflux und nach oben als Dampf verlässt, entspricht genau dem, was jeder Platte von oben als Reflux und von unten als Dampf zugefügt wird.
- Das, was als Destillat oben entnommen wird, entspricht der Differenz aus dem, was der Kessel an Dampf produziert, und dem, was in den Kessel als Reflux zurückfließt.
Eine Berechnung unter Einhaltung dieser zwei Regeln kann nur durch eine Simulation geschehen. Der Rechner berechnet zuerst entweder bei 0 % oder bei 100 % Reflux grob die Verhältnisse in der Kolonne und berechnet dann in sehr kleinen Schritten, wie sich die Werte in der Kolonne langsam verändern. Wenn sich nicht mehr viel ändert, wird das Ergebnis angezeigt.
Diese Art der Berechnung braucht etwas Zeit. Deswegen reagiert dieser Rechner nicht ganz so schnell wie unser alter McCabe-Thiele Kolonnensimulator.
Deswegen und weil es dort nicht so wichtig ist, ist diese Art der Berechnung auch nicht in unseren Potstill- und Thumpersimulator eingebaut, sondern es wird dort weiterhin nach McCabe-Thiele berechnet.
Der Simulator berechnet auch den Kesselinhalt nach dem Befüllen der Kolonne. Das bedeutet, er zieht die sich in den Böden befindende Flüssigkeit vom Kesselinhalt ab, sodaß weniger Flüssigkeit mit normalerweise auch niedrigerer Alkoholstärke im Kessel ist, als mit den Schiebereglern "eingefüllt" wurde. Diese Flüssigkeit in der Kolonne nennt man auch "holdup". Am vol%-Schieberegler stellt man also die Alkoholstärke im Kessel vor dem Befüllen der Böden ein. Mit kleinen Schiebereglern kann man die liter im Kessel vor der Destillation und die ml der Böden eingeben. Will man diese Funktion nicht, also will man, daß im Kessel genau die Alkoholstärke und Menge ist, die man eingibt, kann man dafür die "ml pro Boden" einfach auf 0 stellen.
Die Platteneffizienz ist zwischen 50 und 100 % einstellbar. Eine Effizienz von 50 % bedeutet in unserer Rechnung, daß bei jeder Platte die Hälfte des von unten in die Platte strömenden Dampfes unverändert durch die Flüssigkeit in der Platte hindurchgeht. Diese also nicht vollständige Interaktion von Dampf und Flüssigkeit führt zu geringerer Alkoholaufkonzentrierung in der Kolonne.
Hat man eine Packungskolonne, sollte man den Effizienzregler normalerweise auf 100 % stellen, da eine bezüglich der Trennleistung einem realen Boden entsprechende Packungshöhe ja einen realen Boden mit 100 % Effizienz meint.
Die meisten Refluxdestillen haben einen Refluxkondensator, der den kompletten Dampf kondensiert. Die Trennung zwischen Produkt und Reflux ist dann entweder schon vor der Kondensation erfolgt, zum Beispiel bei VM, oder sie erfolgt danach, zum Beispiel bei LM. Bei dieser Vollkondensation haben der Dampf unter dem Refluxkondensator, der Reflux und das Produkt dieselbe Alkoholstärke. Die Temperatur des Reflux ist aber niedriger, und zwar genau eine Siedediagrammstufe niedriger. CM-Refluxdestillen dagegen haben einen Teilkondensator. Nur der Refluxanteil wird kondensiert, das Produkt strömt dampfförmig weiter zum Produktkondensator. Bei dieser Teilkondensation gibt es eine zusätzliche Alkoholkonzentrierung. Der Dampf über dem Refluxkondensator, der dann das Produkt bildet, hat eine höhere Alkoholstärke und niedrigere Temperatur als der Dampf unter dem Refluxkondensator und der Reflux hat sowohl eine niedrigere Alkoholstärke als auch eine niedrigere Temperatur als der Dampf unter dem Refluxkondensator. Dafür gibt es im Simulator einen Schalter, bei dem man zwischen Vollkondensation und Teilkondensation umschalten kann. Ist er auf Teilkondensation gestellt, kann man für die Teilkondensation eine Effizienz zwischen 70 und 100 % einstellen. 100% Effizienz bedeutet, daß durch den Kondensator bei 100 % Reflux eine Alkoholaufkonzentrierung von genau einem theor. Boden erzeugt wird und bei jeder Refluxeinstellung die Alkoholstärke des Dampfs über dem Teilkondensator und die des vom Teilkondensator herunterfließende Reflux' genau ein theor. Boden voneinander entfernt sind. Das ist es, was in der Theorie durch Teilkondensation erreicht wird. 70% Effizienz bedeutet, daß nur 70 % der Alkoholaufkonzentrierung erzeugt wird, welche bei 100 % Effizienz stattfinden würde. Und der Abstand der Alkoholstärken zwischen Produkt und Reflux ist dann geringer als ein theor. Boden. Das bedeutet auf den ersten Blick, daß man mit einem Teilkondensator mit 100 % Effizienz bis zu einem theor. Boden mehr erreichen kann als mit einem Vollkondensator. Dies trifft aber aus zwei Gründen nicht ganz zu:
Erstens gilt, daß wie ein realer Böden, der nur bei 100 % Reflux einen theor. Boden bewirken kann, auch ein Teilkondensator das nur bei 100 % Reflux kann, weil der Boden beziehungsweise die Teilkondensation ja nicht nur eine höhere Alkoholstärke des Dampfes darüber zur Folge hat sondern auch eine niedrigere Alkoholstärke des Reflux. Dieser alkoholärmere Reflux fließt nach unten und reduziert die Alkoholstärke in den unter ihm liegenden Böden, wodurch aus diesen Böden dann alkoholärmerer Dampf strömt, was die zusätzliche Alkoholaufkonzentrierung durch den Boden oder die Teilkondensation teilweise wettmacht. Die Simulation zeigt, daß bei einer Destille mit wenigen Böden durch Teilkondensation noch recht viel zu erreichen ist, bei einer hohen Kolonne für Neutralalkohol weitaus weniger. Weitere Informationen dazu: Teilkondensation
Die berechneten theor. Böden beziehen sich auf die Alkoholstärke im Kessel nach dem Befüllen der Kolonne. Also nicht auf die eingegebene Alkoholstärke vor der Destillation, sondern auf die tatsächliche aktuelle Alkoholstärke im Kessel.
Die Farben der Kolonne beziehen sich auf die Alkoholstärke. Der Farbcode ist: Schwarz für 0 vol%, rot für 50 vol%, gelb für 75 vol%, grün für 90 vol% und blau für 100 vol%.
Es kann zwischen g/min und ml/min umgeschaltet werden. Hierbei beziehen sich die ml auf das Volumen bei 20 °C. Denn auch die Einheit vol% bezieht sich definitionsgemäß ja auf 20 °C. Und 20 °C bedeutet natürlich flüssiger Zustand. Also 100 ml/min Dampf mit 50 vol%, bedeutet hier, daß er kondensiert und abgekühlt auf 20 °C 100 ml/min und 50 vol% hätte. Seine angezeigte Temperatur bezieht sich aber natürlich auf die konkrete Temperatur des Dampfes in der Kolonne.
Wenn man die Regler verändert, wird jedesmal neu ein Anfangszustand der Destillaion berechnet. Also der Zustand, der nach dem Aufheizen und Befüllen der Böden und vor dem Abzug von Destillat erreicht wird. Da beim Aufheizen und Befüllen sich aber noch keine stabilen Verhältnisse einstellen, sondern das etwas Zeit braucht, ist das nicht ganz realitätsnah.
Nach Berechnung des Anfangszustands kann die Destillation simuliert werden. Dabei werden die Menge und Alkoholstärke des gesammelten Destillats, die verstrichene Zeit und die aufgewendete Energie dargestellt und die Kolonne verändert sich mit der Zeit durch den sinkenden Alkoholgehalt im Kessel. Es können drei Geschwindigkeiten gewählt werden: ►, ►► oder ►►►. Mit ❙❙ kann die Simulation pausiert werden. Dann kann die Steuerung angepasst werden. Was angepasst werden kann, orientiert sich an der Praxis: Die Steuerung des Reflux, die Heizleistung, die Platteneffizienz, der Luftdruck und bei CM die Kühlwassereingangstemperatur. Dann wird der neue Zustand berechnet und die Destillation kann fortgesetzt werden. In der Praxis würde sich der neue Zustand natürlich erst mit Verzögerung einstellen. Mit ◾ beendet man die Destillation. Danach kann man mit dem Schieberegler ganz unten die Destillation nochmal durchgehen. Durch drücken auf Reset werden diese Werte gelöscht und es wird wieder ein Anfangszustand berechnet und angezeigt.
Es sind vier verschiedene Steuerungen der Kolonne berechenbar. Die ersten drei sind eher theoretische:
- Steuerung der % Reflux:
Hier werden mit einem Schieberegler einfach die % Reflux eingestellt.
Das ist einfach zu verstehen, aber leider gibt es keine Destillenbauweise, mit der man unabhängig von anderen Faktoren einfach so die % Reflux stabil einstellen kann.
Am ehesten scheint Vapor Management (VM) dieser Steuerungsweise zu entsprechen.
Aber nur bei sehr hoher Alkoholstärke.
Denn bei fallender Alkoholstärke auf der Höhe des Ventils steigen bei VM sehr stark die % Reflux.
Es ist dadurch in der Praxis sogar normalerweise auch nicht möglich, 0 % Reflux einzustellen.
Die % Reflux bleiben konstant bei 90.2, wie am Schieberegler eingestellt.
Die Alkoholstärke sinkt innerhalb einer Stunde von 94.8 auf 87.5 vol%. - Steuerung der Produktmenge:
Hier wird mit einem Schieberegler eingestellt, wie viel ml oder gramm pro Minute Produkt abgezogen wird.
Am ehesten scheint Liquid Managemt (LM) dieser Steuerungsweise zu entsprechen, also die Produktentnahme vom obersten Reflux mit einem Nadelventil.
Aber nur bei gleichbleibender Alkoholstärke.
Denn ändert sich die Alkoholstärke, ändert sich auch die Durchflussrate durch das Nadelventil.
Wenn man konstant dieselbe Menge Produkt entnimmt, sinken die % Reflux mit der Zeit, wodurch die Alkoholstärke zusätzlich sinkt:
Die % Reflux sinken während der Destillation von 90.2 auf 78.7.
Und die Alkoholstärke sinkt dabei stark von 94.8 auf 68.8 vol%. - Steuerung der Refluxmenge:
Hier das gleiche, aber nicht die Produktmenge, sondern die Refluxmenge wird direkt gesteuert.
Am ehesten scheint Reverse Liquid Managemt (RLM) dieser Steuerung zu entsprechen, also das Zurückleiten des obersten Reflux durch ein Nadelventil in die Kolonne, wobei dann der Überlauf als Produkt abgezogen wird.
Aber ebenfalls nur bei gleichbleibender Alkoholstärke, weil die Durchflussrate durch das Nadelventil auch von der Alkoholstärke abhängt.
Auch Cooling Management (CM) ist änlich.
Denn hier bestimmt die Steuerung des Kühlwassers direkt die konkrete Refluxmenge.
Allerdings hängt die Refluxmenge auch hier von der Alkoholstärke ab.
Vor allem, da eine hohe Alkoholstärke eine niedrige Temperatur und somit einen geringeren Temperaturunterschied zum Kühlwasser und somit weniger Reflux pro Kühlwasser bedeutet.
Wenn man konstant dieselbe Menge Reflux in die Kolonne zurückleitet, steigen die % Reflux mit der Zeit, wodurch die Alkoholstärke stabilisiert wird:
Die % Reflux steigen während der Destillation von 90.2 auf 95.9.
Die Alkoholstärke sinkt zwar trotzdem, aber nur sehr wenig von 94.8 auf 93.2 vol%. - Cooling management (CM):
Hier wird mit einem Schieberegler entweder ein kleines oder ein großes Ventil geöffnet, welches den Refluxkondensator mit mehr oder weniger Kühlwasser versorgt.
Das kleine lässt maximal 200 ml/min Kühlwasser durch, das große maximal 2000 ml/min.
Je nach Kühlwassermenge gibt es mehr oder weniger Reflux.
Der Rest geht als Dampf über den Refluxkondensator hinaus und über eine Biegung zum Produktkondensator.
Der Refluxkondensator ist hier also immer ein Teilkondensator.
Der Rechner geht davon aus, daß das Kühlwasser im Refluxkondensator bis auf die Refluxtemperatur erhitzt wird. Das ist die theoretisch maximal mögliche Kühlwassereffizienz.
Die Eingangstemperatur des Kühlwassers kann eingestellt werden.
Bei dieser Steuerung berücksichtigt der Rechner auch "unterkühlten" Reflux. Das bedeutet, wenn man mehr Kühlwasser verwendet, als für 100 % Reflux nötig ist, wird der Reflux vom Refluxkondensator kälter. Dadurch kommt es auf der obersten Platte zu einer geringeren Dampfentwicklung. Und da dieser Dampf bei 100 % Reflux ja dann komplett kondensiert als Reflux zurück auf die oberste Platte tropft, kommt es dadurch natürlich auch zu weniger Reflux auf die oberste Platte. Es zeigt sich in der Simulation, daß sonst keine Veränderungen auftreten. Unterkühlter Reflux hat also außer der Wasserverschwendung anscheinend keinerlei Effekt. Die Temperatur vom unterkühlten Reflux wird in der Darstellung auch angezeigt.
Das Kühlwasser hat nach der Kühlung ebenfalls diese Temperatur.
Wenn man bei einer CM konstant dieselbe Menge Kühlwasser mit derselben Temperatur verwendet, bleiben die % Reflux sehr stabil. Sie steigen ein bisschen mit der Zeit, also bei fallendem Alkoholgehalt, wodurch die Alkoholstärke etwas stabilisiert wird:
Die % Reflux steigen während der Destillation von 90.2 auf 91.9.
Deswegen sinkt die Alkoholstärke noch recht moderat von 94.8 auf 89.3 vol%.
Die Nadelventile bei LM und RLM ändern ihre Durchflussmenge, wenn der Alkoholgehalt sich ändert. Wasser fleißt leichter durch Engstellen als Ethanol. Aber auch die Temperatur hat einen Effekt: Heiße Flüssigkeiten fließen leichter hindurch als kalte. Und die Temperatur wiederum hängt ja auch vom Alkoholgehalt ab. Und Nadelventile verringern den Durchfluß wiederum etwas mit steigender Temperatur. So lassen sie am Anfang der Destillation wesentlich mehr Destillat hindurch als wenn sie kurze Zeit später erhitzt sind. Aus praktischer Erfahrung wissen wir, daß eine LM bei sinkender Kesselalkoholstärke die % Reflux reduziert, wodurch die Alkoholstärke des Destillats dann zusätzlich sinkt. Dadurch sackt die Alkoholstärke gegen Ende der Destillation ohne Vorwarnung recht plötzlich ab, was einem das in denselben Behälter gesammelte saubere Destillat ruinieren kann. Das ist ein großer Nachteil bei diesem System. Deswegen verwenden manche lieber das etwas aufwändiger zu bauende RLM. Anders als bei LM sackt die Alkoholstärke hier nicht gegen Ende der Destillation ab, sondern die % Reflux erhöhen sich, was dem Absacken entgegenwirkt.
Das Verhalten von VM ist extrem komplex. Theoretisch scheint eine VM den Dampf in zwei Teile zu teilen und somit konstante % Reflux einzustellen. In der Praxis zeigt sich aber, daß es für den Dampf einen Unterschied macht, ob er hoch zum Refluxkondensator oder seitlich durchs Ventil zum Produktkondensator geht. Und das hängt nicht nur von den Rohrdurchmessern und dem Durchmesser des Ventils ab, sondern in großem Maße vom Alkoholgehalt des Dampfes. Dampf mit geringer Alkoholstärke geht grundsätzlich nur den Weg nach oben. Diese VM-spezifische Eigenschaft, auf 100 % Reflux zu schalten, wenn nicht mehr genug Alkohol kommt, wird oft "shut down" genannt, da sich die Destille quasi abschaltet, sobald kein genügend sauberes Destillat mehr zu holen ist. Woran das liegt, darüber gibt es bisher nur Vermutungen. Plausibel klingt, daß es an der sehr geringen Dichte von Wasserdampf liegt. Sie ist geringer als die von Luft. Ethanoldampf dagegen hat eine höhere Dichte als Luft. Dadurch könnte bei geringem Alkoholgehalt eine Art Kamineffekt entstehen, daß es also eine Luftbewegung vom Produktkühlerausgang hin zum oberen Ende vom Refluxkondensator gibt, welche verhindert, daß Dampf zum Produktkondensator geht. Der Weg zum Produktkondensator wäre ja dann die Gegenrichtung zur Luftbewegung. Versuche von uns haben aber ergeben, daß dieser Effekt nicht gestoppt wird, wenn man testweise den Refluxkondensator oben verschließt, es also keinen Luftzug geben kann. Das wirft diese Theorie über den Haufen. Nicht aber heißt es, daß die unterschiedlichen Dichten nicht trotzdem die oder zumindest eine Ursache für das VM-spezifische Verhalten sein können. Und das Verhalten von VM scheint sehr leicht gestört zu werden. Zum Beispiel kann man mit Reinpusten in eine der beiden Öffnungen die Destillatmenge verändern und dieser neue Zustand wird dann teilweise auch ohne weiteres Pusten beibehalten.
Man kann sich nicht gut auf den optischen Eindruck verlassen, wenn es darum geht, die Destillatsmenge richtig einzuschätzen. Alkoholreiches Destillat fließt viel gleichmäßiger als alkoholarmes und vermittelt dadurch den Eindruck, daß es eine größere Menge sein muss. Ein alkoholreicher Flüssigkeitsstrahl ist aber viel dünner als ein alkoholarmer, was man kaum sieht. Dadurch überschätzt man die Stärke eines Destillatflusses, je höher die Alkoholstärke ist.
Oder auch wenn man nur tropfenweise Destillat sammelt, kann man sich nicht darauf verlassen, daß 20 Tropfen 1 ml sind, wie man es oft liest. Das stimmt zwar sehr genau, wenn man Wasser aus einer Pipette tropft, weder stimmt es aber für Alkohollösungen getropft aus einer Pipette noch stimmt es für Wassertropfen aus einem Rohr. Einerseits sind Tropfen von Alkohollösungen kleiner als Wassertropfen, andererseits sind Tropfen aus einem Rohr wesentlich größer als aus einer Pipette. Hierbei geht es um Größenordungen einer Verdoppelung oder Halbierung.
Nun ist die Frage, was man mit dem Simulator anfangen kann, wenn doch die Steuerungen größtenteils theoretisch sind. Also wie weit das in die Praxis übertragbar ist. Grundsätzlich kann man mit den Steuerungen des Simulators echte Destillensteuerungen nachbilden. Also wenn man beispielsweise einstellt, daß 100 ml/min Produkt gesammelt wird, dann entspricht das jeder Destille, bei der man in der Realität 100 ml/min Produkt sammelt, egal ob es sich zum Beispiel um eine LM oder um eine VM handelt. Allerdings kann man in der Praxis nicht damit rechnen, daß diese 100ml/min konstant bleiben, wenn der Alkoholgehalt mit der Zeit sinkt. Deswegen wäre es schön, wenn man direkt LM oder VM anwählen könnte, wo das Verhalten dieser Steuerungen realitätsnah simuliert wird. Aus den oben genannten Gründen wird das aber extrem spekulativ und würde daher nur den Eindruck von mehr Nutzen vermitteln. Das ist ja ein Grundproblem von Berechnungen wie unseren: Daß zumindest Benutzer mit wenige Hintergrundwissen und ohne Geduld, die Anmerkungen genau zu lesen, eine absolute Genauigkeit vermuten.
Der Simulator berücksichtigt keine Heizleistungsverluste. Die Verluste sind eher pauschal als relativ. Also eine mit 1000 Watt betriebene Destille verliert nicht halb so viel wie eine mit 2000 Watt betriebene, sondern je nach Heizmethode (interne oder externe Beheizung) genau das gleiche oder nur etwas weniger. Eine Simulation von Heizleistungsverlusten hat unser Potstill- und Thumpersimulator. Hier kann man herumprobieren und vielleicht ein Gefühl dafür bekommen, wie viel Energie man verliert. In der Anmerkung dort steht mehr dazu.
Berechenbar sind Luftdrücke zwischen 80 und 10000 hPa. Die Berücksichtigung des Luftdrucks hat einen wesentlichen Einfluss auf das Ergebnis. Wird nichts eingegeben, geht der Rechner vom Normaldruck auf Seehöhe 1013.25 hPa aus.
Da fast niemand ein absolut genau anzeigendes Thermometer hat, kann zusätzlich ein "Thermometerfehler" angegeben werden. Dieser kann mit der Hilfe des Rechners Thermometerfehler bestimmt werden. Die hier berechneten Temperaturen sind dann die auf diesem Thermometer angezeigten, nicht die realen. Die anzugebende Kühlwassertemperatur bei CM muss aber die reale Temperatur sein, unabhängg vom eingegebenen Thermometerfehler.
Informationen über unsere Siedediagrammdaten und den Einfluss des Luftdrucks