Berechnet kontinuierlich betriebene Kolonnen und stellt sie graphisch dar.
Dargestellt werden die einzelnen Böden einer kontinuierlich betriebenen Kolonne.
Diese Kolonne kann durch Wasserdampfeinleitung von unten beheizt werden und / oder durch eine Beheizung von unten, einem "Reboiler".
Kolonnen mit Beheizung durch Wasserdampfeinleitung werden vor allem in der Bourbonindustrie genutzt, um low wines beziehungsweise Raubrände herzustellen. Dort werden sie "Stripping Column" genannt.
Wasser hat eine weitaus höhere Verdampfungsenthalpie als Alkohol. Das bedeutet, Wasserdampf transportiert eine viel größere Energie, als sie nötig ist, um die gleiche Menge Alkohol zu verdampfen. Diese große Energie bekommt man natürlich nicht geschenkt, sondern man muss sie bei der Herstellung des Dampfes zuerst aufwenden. Aber diese hohe Verdampfungsenthalpie hat dann in der Kolonne den großen Vorteil, daß man weniger Wasserdampf braucht und somit der Alkoholgehalt durch den Wassereintrag nicht so stark verdünnt wird, und man deswegen eine hohe Alkoholstärke im Destillat bekommt, ohne energieverbrauchenden Reflux einsetzen zu müssen. Ein zusätzlicher Vorteil der Wasserdampfeinleitung ist, daß dieser Wasser natürlich absolut sauber ist. Anders als die Flüssigkeit im Reboiler.
Die Stripping Columns werden ohne Reflux betrieben. Der Feed kommt bei diesen Kolonnen normalerweise auf die oberste Platte. Das bedeutet aber nicht zwingend, daß ausgehend von der Alkoholstärke des Feed nur maximal ein theoretischer Boden erreicht wird. Denn die Alkoholstärke in der Platte, in die der Feed eingeleitet wird, ist normalerweise nicht dieselbe, wie die Alkoholstärke vom Feed. Es kann sich dort sowohl eine niedrigere als auch eine höhere Alkoholstärke etablieren. Mehr als ein theoretischer Boden ist für eine Bourbon - Stripping Column aber auch nicht nötig, da man sowiese nicht zu hohe Alkoholstärken erreichen darf, wenn man das Produkt Bourbon nennen will. Die Platten der Bourbonkolonnen haben nur die Funktion, daß ganz unten, wo die Schlempe beziehungsweise der "Waste" herausfließt, fast kein Alkohol mehr vorhanden ist. Daß der nach unten fließende Feed also möglichst komplett ausgelaugt wird. Bei dem preset des Rechners ist das ausreichend. Fügt man in diesem Fall weitere Platten unten hinzu, erhöht das nur den Wärmeverlust an die Umgebung. Und dadurch kommt weniger Dampf oben an, man bekommt etwas weniger Destillat, aber mit einer minimal höheren Alkoholstärke, weil der Wärmeverlust ja Reflux und damit Rektifikation bedeutet. Wirtschaftlich gesehen ist das in diesem Fall wahrscheinlich eher ein Nachteil.
Die meisten kontinuierlichen Kolonnen sind nicht wärmeisoliert. Das liegt vielleicht daran, weil es sehr wenig ausmacht. Der Wärmeverlust an die Umgebung hängt ja auch ganz entscheidend von der Dauer ab, welche die Destillation einer bestimmten Menge an Feed benötigt. Und diese Kolonnen haben einen sehr hohen Durchlauf. Also auch wenn man pro Zeit eine signifikante Menge an Energie verliert, verliert man pro lt gesammelten Alkohol - und darauf kommt es wirtschaftlich gesehen an - nur sehr wenig.
Die Berechnung des Wärmeverlusts beruht auf den gleichen Daten, die wir für unseren Rechner Potstill / Thumper gemessen haben und bezieht sich auf 20 °C Umgebungstemperatur.
Die Notwendigkeit einer Isolierung ist bei einer batch-Reflux-Destille, also das, was hier im Forum viele verwenden, um Neutralalkohol oder Einfachbrände herzustellen, eine ganz andere, weil die Flüssigkeit ein Vielfaches an Zeit in der Destille verbringt. Deswegen ist der Energieverlust pro Menge Alkohol auch ein Vielfacher.
Die Eingabe der Kolonnenhöhe und des Kolonnendurchmessers ist im Rechner nur nötig zur Berechnung der Dampfgeschwindigkeit und des Wärmeverlusts. Eine große Kolonne verliert natürlich mehr Wärme an die Umgebung als eine kleine. Stellt man 100 % Kolonnenisolierung ein, ist kein Wärmeverlust vorhanden, und somit hat die Höhe und der Durchmesser der Kolonne darauf auch keinen Effekt.
Der Rechner geht also davon aus, daß der Durchmesser und die Höhe der einzelnen Platten so gewählt sind, daß die Destille effizient funktioniert. Hierfür kann die berechnete Dampfgeschwindigkeit ein Hinweis sein. Denn eine zu hohe Dampfgeschwindigkeit wirkt sich negativ auf die Effizienz aus. Es wird die Dampfgeschwindigkeit auf der untersten Platte berechnet. Also die Geschwindigkeit des eingeleiteten Wasserdampfs (und / oder des Dampfes aus dem Reboiler) bezogen auf den Kolonnendurchmesser. Dies ist nämlich immer die höchste Dampfgeschwindigkeit in der Kolonne. Weiter oben ist die Geschwindigkeit niedriger, prinzipiell, da Alkoholdampf "pro Watt" etwas weniger Volumen hat als Wasserdampf, und je nachdem auf dem Weg nach oben durch Wärmeabstrahlung, kaltem Feed und Reflux.
Bei einer Raubrandkolonne für dickflüssige Maischen allerdings muss man normalerweise wegen der Verstopfungsgefahr sowieso einen so großen Durchmesser wählen, daß die Dampfgeschwindigkeit sehr niedrig ist.
Die Effizienz der Böden ist zwischen 50 und 100 % einstellbar. Eine Effizienz von 50 % bedeutet in unserer Rechnung, daß bei jedem Boden die Hälfte des von unten in den Boden strömenden Dampfes unverändert durch die Flüssigkeit im Boden 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.
Stellt man Reflux ein, muss man unterscheiden zwischen einem Vollkondensator, der den gesamten oben ankommenden Dampf kondensiert und einen Teil davon in die Kolonne zurückleitet, und einem Teilkondensator, der nur den Teil kondensiert, der zurückgeschickt wird. Bei einer Teilkondensierung kommt es nämlich zu einer mehr oder weniger effizienten Alkoholanreicherung. "100 % Teilkondensationseffizienz" bedeutet, daß durch die Teilkondensation je nach % Reflux maximal ein zusätzlicher theoretischer Boden erzeugt werden kann. Einen Teilkondensator hat nur eine CM. Vollkondensation gibt es bei allen anderen Systemen, also LM und VM oder ähnliche. Mehr dazu in unserem Rechner Teilkondensation.
Allgemein werden mit Dampfeinleitung beheizten Kolonnen aber ohne Reflux betrieben. Denn Reflux bedeutet, daß man für dieselbe Menge an Destillat mehr Dampf einleiten muss. Und mehr Dampf bedeutet, daß der Alkohol mehr mit Wasser verdünnt wird, was die Alkoholanreicherung durch den Reflux wieder zunichte macht. Ein Beispiel einer Kolonne mit einem Feed in der Mitte, also anders als eine klassische Stripping Column mit dem Feed ganz oben, aber besser, um zu sehen, was hier mit Reflux zu erreichen beziehungsweise nicht zu erreichen ist:
Links, ohne Reflux, bekommt man mit dem Dampf aus 1900 Watt 33 ml Destillat mit 44.2 vol%.
Rechts mit 50 % Reflux und die Dampfmenge so erhöht, daß man etwa genausoviel ml Destillat erhält, bekommt man 34 ml/min mit 44.4 vol%.
Das ist nur unwesentlich anders.
Allerdings braucht man nun 2800 Watt, also 47 % mehr Energie als ohne Reflux.
Das bedeutet, daß man mit einer solchen Destille ökonomisch keinen Neutralalkohol oder Vodka herstellen kann. Hierfür braucht man ein System, welches weniger Wasser in die Kolonne leitet. Also eine herkömmliche Beheizung von unten, zusätzlich zur oder anstelle der Dampfeinleitung. Der Reflux von der untersten Platte läuft in den Reboiler, einem beheizten Kessel, wo ein Teil wieder verdampft und der andere Teil als Waste entsorgt wird, sodaß der Pegel in dem Kessel konstant bleibt. (In der Darstellung wird der Reboiler nicht gezeigt, aber der Dampf, den er produziert, addiert sich zum unten eingeleiteten Wasserdampf.) Auf diese Weise bekommt man kontinuierlich Energie in die Kolonne, ohne weiteres Wasser hinzuzufügen. Das geht aber nicht gut bei einer Maische mit vielen Feststoffen. Dabei würden sich im Boiler die Feststoffe ansammeln und irgendwann an der Beheizung anbrennen. Deswegen wird Neutralalkohol oder Vodka normalerweise mit mehreren Kolonnen hergestellt:
Der Rectifier erzeugt den Reflux meistens mit der Maische als Kühlmittel, wodurch die Maische erhitzt in den Analyzer gelangt. Eine niedrige Temperatur des Feeds bedeutet weniger Dampfentwicklung oberhalb des Feeds. Und das bedeutet weniger Destillat mit aber etwas höherer Alkoholstärke. Dem kann man mit etwas mehr Wasserdampf von unten entgegenwirken. Eine Vorerwärmung des Feeds verbessert also nicht generell die Anlage, sondern ist nur ein Schritt zu einer höheren Energieeffizienz.
Es wird auch ein Reflux-Kühlwasserverbrauch berechnet. Dieser soll nur ein Anhaltspunkt sein. Für eine genauere Berechnung würden sehr viele Angaben nötig sein, welche man wahrscheinlich auch gar nicht weiß. Die Berechnung geht von einer Kühlwassertemperatur von 20 °C aus, und davon, daß das Kühlwasser genau auf Refluxtemperatur erhitzt wird, was bedeutet, daß der Refluxkühler die maximal mögliche Leistung erbringt. Zumindest bei Teilkondensation kann so eine Kühlwassereffizienz auch in der Praxis annähernd erreicht werden. Bei Systemen mit Vollkondensation hingegen muss man immer einen Überschuss an Kühlwasser aufwenden. Das berücksichtigt die Berechnung nicht.
Eventuelles Abkühlen des Reflux unter seinen Siedepunkt berücksichtigt der Rechner nicht. Rechenergebnisse mit unserem Kolonnensimulator zeigen aber, daß das außer einem kleinen Energieverlust keine großen Auswirkungen hat.
Die Berechnung 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 befüllt zuerst alle Böden unterhalb des Feeds mit Feed, fügt dann den Wasserdampf von unten dazu und berechnet 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. In manchen Fällen kann es hier bei alten Computern ein paar Sekunden dauern, bis ein Ergebnis angezeigt wird. Vor allem, wenn der Waste eine niedrige und gleichzeitig das Destillat eine hohe Alkoholstärke hat. Deswegen und weil die hohe Genauigkeit 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.
Die berechneten theoretischen Böden beziehen sich hier auf den Abstand zwischen den Alkoholstärken des Feeds und des Destillats.
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%.
Beim Feed kann zwischen ml/min und g/min umgeschaltet werden. Danach richtet sich auch, ob links der Kolonne ml/min oder g/min angezeigt werden. Beim Dampf bedeuten ml/min das Volumen, wenn der Dampf kondensiert und auf 20 °C abgekühlt wäre. Nicht das viel größere Dampfvolumen. Seine angezeigte Temperatur bezieht sich aber natürlich auf die konkrete Temperatur des Dampfes in der Kolonne.
Zur berechneten Energiebilanz:
Wichtig zu wissen ist natürlich die nötige Energie für den Wasserdampf. Diese summiert sich aus der Energie für die Erwärmung des Wassers auf den Siedepunkt (ausgehend von Wasser mit 20 °C) und der deutlich größeren Verdampfungsenergie. Die negativen Watt-Werte weiter unten bedeuten die Energie, welche man abführen muss beziehungsweise zurückgewinnen kann, also man entweder in Kühlwasser abführen muss oder mit einem Wärmetauscher zum Vorheizen des Wasserdampf-Wassers oder des Feeds nutzen kann. Ganz unten wird der Verlust an die Umgebung absolut als Watt dargestellt und in Klammern als Prozent bezogen auf die aufgewendete Energie.
Berechenbar sind Luftdrücke zwischen 75 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.
Informationen über unsere Siedediagrammdaten und den Einfluss des Luftdrucks
Diese Kolonne kann durch Wasserdampfeinleitung von unten beheizt werden und / oder durch eine Beheizung von unten, einem "Reboiler".
Kolonnen mit Beheizung durch Wasserdampfeinleitung werden vor allem in der Bourbonindustrie genutzt, um low wines beziehungsweise Raubrände herzustellen. Dort werden sie "Stripping Column" genannt.
Wasser hat eine weitaus höhere Verdampfungsenthalpie als Alkohol. Das bedeutet, Wasserdampf transportiert eine viel größere Energie, als sie nötig ist, um die gleiche Menge Alkohol zu verdampfen. Diese große Energie bekommt man natürlich nicht geschenkt, sondern man muss sie bei der Herstellung des Dampfes zuerst aufwenden. Aber diese hohe Verdampfungsenthalpie hat dann in der Kolonne den großen Vorteil, daß man weniger Wasserdampf braucht und somit der Alkoholgehalt durch den Wassereintrag nicht so stark verdünnt wird, und man deswegen eine hohe Alkoholstärke im Destillat bekommt, ohne energieverbrauchenden Reflux einsetzen zu müssen. Ein zusätzlicher Vorteil der Wasserdampfeinleitung ist, daß dieser Wasser natürlich absolut sauber ist. Anders als die Flüssigkeit im Reboiler.
Die Stripping Columns werden ohne Reflux betrieben. Der Feed kommt bei diesen Kolonnen normalerweise auf die oberste Platte. Das bedeutet aber nicht zwingend, daß ausgehend von der Alkoholstärke des Feed nur maximal ein theoretischer Boden erreicht wird. Denn die Alkoholstärke in der Platte, in die der Feed eingeleitet wird, ist normalerweise nicht dieselbe, wie die Alkoholstärke vom Feed. Es kann sich dort sowohl eine niedrigere als auch eine höhere Alkoholstärke etablieren. Mehr als ein theoretischer Boden ist für eine Bourbon - Stripping Column aber auch nicht nötig, da man sowiese nicht zu hohe Alkoholstärken erreichen darf, wenn man das Produkt Bourbon nennen will. Die Platten der Bourbonkolonnen haben nur die Funktion, daß ganz unten, wo die Schlempe beziehungsweise der "Waste" herausfließt, fast kein Alkohol mehr vorhanden ist. Daß der nach unten fließende Feed also möglichst komplett ausgelaugt wird. Bei dem preset des Rechners ist das ausreichend. Fügt man in diesem Fall weitere Platten unten hinzu, erhöht das nur den Wärmeverlust an die Umgebung. Und dadurch kommt weniger Dampf oben an, man bekommt etwas weniger Destillat, aber mit einer minimal höheren Alkoholstärke, weil der Wärmeverlust ja Reflux und damit Rektifikation bedeutet. Wirtschaftlich gesehen ist das in diesem Fall wahrscheinlich eher ein Nachteil.
Die meisten kontinuierlichen Kolonnen sind nicht wärmeisoliert. Das liegt vielleicht daran, weil es sehr wenig ausmacht. Der Wärmeverlust an die Umgebung hängt ja auch ganz entscheidend von der Dauer ab, welche die Destillation einer bestimmten Menge an Feed benötigt. Und diese Kolonnen haben einen sehr hohen Durchlauf. Also auch wenn man pro Zeit eine signifikante Menge an Energie verliert, verliert man pro lt gesammelten Alkohol - und darauf kommt es wirtschaftlich gesehen an - nur sehr wenig.
Die Berechnung des Wärmeverlusts beruht auf den gleichen Daten, die wir für unseren Rechner Potstill / Thumper gemessen haben und bezieht sich auf 20 °C Umgebungstemperatur.
Die Notwendigkeit einer Isolierung ist bei einer batch-Reflux-Destille, also das, was hier im Forum viele verwenden, um Neutralalkohol oder Einfachbrände herzustellen, eine ganz andere, weil die Flüssigkeit ein Vielfaches an Zeit in der Destille verbringt. Deswegen ist der Energieverlust pro Menge Alkohol auch ein Vielfacher.
Die Eingabe der Kolonnenhöhe und des Kolonnendurchmessers ist im Rechner nur nötig zur Berechnung der Dampfgeschwindigkeit und des Wärmeverlusts. Eine große Kolonne verliert natürlich mehr Wärme an die Umgebung als eine kleine. Stellt man 100 % Kolonnenisolierung ein, ist kein Wärmeverlust vorhanden, und somit hat die Höhe und der Durchmesser der Kolonne darauf auch keinen Effekt.
Der Rechner geht also davon aus, daß der Durchmesser und die Höhe der einzelnen Platten so gewählt sind, daß die Destille effizient funktioniert. Hierfür kann die berechnete Dampfgeschwindigkeit ein Hinweis sein. Denn eine zu hohe Dampfgeschwindigkeit wirkt sich negativ auf die Effizienz aus. Es wird die Dampfgeschwindigkeit auf der untersten Platte berechnet. Also die Geschwindigkeit des eingeleiteten Wasserdampfs (und / oder des Dampfes aus dem Reboiler) bezogen auf den Kolonnendurchmesser. Dies ist nämlich immer die höchste Dampfgeschwindigkeit in der Kolonne. Weiter oben ist die Geschwindigkeit niedriger, prinzipiell, da Alkoholdampf "pro Watt" etwas weniger Volumen hat als Wasserdampf, und je nachdem auf dem Weg nach oben durch Wärmeabstrahlung, kaltem Feed und Reflux.
Bei einer Raubrandkolonne für dickflüssige Maischen allerdings muss man normalerweise wegen der Verstopfungsgefahr sowieso einen so großen Durchmesser wählen, daß die Dampfgeschwindigkeit sehr niedrig ist.
Die Effizienz der Böden ist zwischen 50 und 100 % einstellbar. Eine Effizienz von 50 % bedeutet in unserer Rechnung, daß bei jedem Boden die Hälfte des von unten in den Boden strömenden Dampfes unverändert durch die Flüssigkeit im Boden 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.
Stellt man Reflux ein, muss man unterscheiden zwischen einem Vollkondensator, der den gesamten oben ankommenden Dampf kondensiert und einen Teil davon in die Kolonne zurückleitet, und einem Teilkondensator, der nur den Teil kondensiert, der zurückgeschickt wird. Bei einer Teilkondensierung kommt es nämlich zu einer mehr oder weniger effizienten Alkoholanreicherung. "100 % Teilkondensationseffizienz" bedeutet, daß durch die Teilkondensation je nach % Reflux maximal ein zusätzlicher theoretischer Boden erzeugt werden kann. Einen Teilkondensator hat nur eine CM. Vollkondensation gibt es bei allen anderen Systemen, also LM und VM oder ähnliche. Mehr dazu in unserem Rechner Teilkondensation.
Allgemein werden mit Dampfeinleitung beheizten Kolonnen aber ohne Reflux betrieben. Denn Reflux bedeutet, daß man für dieselbe Menge an Destillat mehr Dampf einleiten muss. Und mehr Dampf bedeutet, daß der Alkohol mehr mit Wasser verdünnt wird, was die Alkoholanreicherung durch den Reflux wieder zunichte macht. Ein Beispiel einer Kolonne mit einem Feed in der Mitte, also anders als eine klassische Stripping Column mit dem Feed ganz oben, aber besser, um zu sehen, was hier mit Reflux zu erreichen beziehungsweise nicht zu erreichen ist:
Das bedeutet, daß man mit einer solchen Destille ökonomisch keinen Neutralalkohol oder Vodka herstellen kann. Hierfür braucht man ein System, welches weniger Wasser in die Kolonne leitet. Also eine herkömmliche Beheizung von unten, zusätzlich zur oder anstelle der Dampfeinleitung. Der Reflux von der untersten Platte läuft in den Reboiler, einem beheizten Kessel, wo ein Teil wieder verdampft und der andere Teil als Waste entsorgt wird, sodaß der Pegel in dem Kessel konstant bleibt. (In der Darstellung wird der Reboiler nicht gezeigt, aber der Dampf, den er produziert, addiert sich zum unten eingeleiteten Wasserdampf.) Auf diese Weise bekommt man kontinuierlich Energie in die Kolonne, ohne weiteres Wasser hinzuzufügen. Das geht aber nicht gut bei einer Maische mit vielen Feststoffen. Dabei würden sich im Boiler die Feststoffe ansammeln und irgendwann an der Beheizung anbrennen. Deswegen wird Neutralalkohol oder Vodka normalerweise mit mehreren Kolonnen hergestellt:
- Einer ersten ohne Reflux, nur mit Dampfbeheizung, welche vor allem die Feststoffe entfernen soll und möglichst den gesamten Alkohol in das Destillat bekommt. Diese Kolonne wird manchmal "Analyzer" genannt. Der Feed kommt bei ihr auf die oberste oder eine der obersten Platten. Das entspricht einer Stripping Column für Bourbon.
- Und einer zweiten Kolonne mit Reboiler und Refluxkühler, oft "Rectifier" genannt.
Bei dieser wird der Feed, also das Destillat aus dem Analyzer, fast ganz unten eingeschleust.
Da kaum Platten unterhalb sind, ist die Alkoholausbeute sehr schlecht.
Der alkoholreiche Waste kommt aber zurück in den Analyzer, meist eine oder ein paar Platten unter dem Feed für die Maische.
Und der Analyzer hat ja eine sehr hohe Alkoholausbeute.
Somit geht kein Alkohol verloren.
Hier nun ein paar Simulationen eines Rectifiers:Links ist eine normale Version eines Rectifiers. Man sieht, daß man durch den Reflux und die Beheizung ohne Wasserdampfeinleitung ein starkes Destillat bekommt, aber eine vollkommen unakzeptable Alkoholausbeute. Aber das wird vielleicht besser, wenn unter dem Feed noch ein paar Platten sind?
Rechts sind nun unten einfach noch fünf Böden dazugeschaltet. Es bringt leider nichts. Die Menge an Destillat, seine Alkoholstärke und die Alkoholausbeute bleiben fast gleich.
Links wird anstelle der zusätzlichen Platten zusätzlich Wasserdampf eingeleitet, die % Reflux aber gleichgehalten. Und das schaut viel besser aus. Die vol% oben sinken nur wenig, aber die Alkoholausbeute ist nun sehr gut. Und die kWh pro liter gesammeltem Alkohol sind sogar gesunken.
Rechts, mit sowohl Wasserdampf als auch zusätzlichen Platten unten bekommt man nun alles in den Griff. Sowohl starkes Destillat als auch hohe Ausbeute.
Das System ist aber nun sehr empfindlich. Vor allem die genauen % Reflux sind sehr kritisch:
Links mit 1 % Reflux mehr ist die Alkoholausbeute deutlich gesunken. Und rechts mit 1 % Reflux weniger, ist das Destillat deutlich weniger stark.
Jedenfalls ist es bei der Herstellung von Neutralalkohol oder Vodka üblich, die Aufgaben zu trennen: Eine Kolonne für die Alkoholausbeute und eine für die Aufkonzentrierung. Die schwierige Steuerung hat da vielleicht einen Anteil.
Diese beiden Kolonnen können durch Zwischentanks entkoppelt sein. Also die low wines aus dem Analyzer werden nicht direkt in den Rectifier geleitet und der Waste aus dem Rectifier nicht direkt in den Analyzer. Dadurch wird sichergestellt, daß beide Kolonnen immer denselben Feed bekommen, und somit laufen sie stabiler. - Zusätzlich kann es noch weitere Kolonnen mit Spezialaufgaben geben.
Zum Beispiel ein "Demethylizer":
Hier wird der schon hochrektifizierte Alkohol unten in eine Kolonne geleitet, mit Reboiler verdampft und oben mit Reflux eine Fraktion mit hohem Methanolanteil abgetrennt. Unten kommt dann als Waste so gut wie dieselbe Alkoholstärke raus, nur eben mit viel weniger Methanol und vielleicht anderen Begleitstoffen. Also der Waste ist in diesem Fall das Produkt und das Destillat der Abfall.
Die hohe Alkoholstärke im Feed ist notwendig, weil die Flüchtigkeit von Methanol relativ zu der von Ethanol bei hoher Alkoholstärke am höchsten ist. Mehr dazu hier: Begleitstoffe Information
Der Rectifier erzeugt den Reflux meistens mit der Maische als Kühlmittel, wodurch die Maische erhitzt in den Analyzer gelangt. Eine niedrige Temperatur des Feeds bedeutet weniger Dampfentwicklung oberhalb des Feeds. Und das bedeutet weniger Destillat mit aber etwas höherer Alkoholstärke. Dem kann man mit etwas mehr Wasserdampf von unten entgegenwirken. Eine Vorerwärmung des Feeds verbessert also nicht generell die Anlage, sondern ist nur ein Schritt zu einer höheren Energieeffizienz.
Es wird auch ein Reflux-Kühlwasserverbrauch berechnet. Dieser soll nur ein Anhaltspunkt sein. Für eine genauere Berechnung würden sehr viele Angaben nötig sein, welche man wahrscheinlich auch gar nicht weiß. Die Berechnung geht von einer Kühlwassertemperatur von 20 °C aus, und davon, daß das Kühlwasser genau auf Refluxtemperatur erhitzt wird, was bedeutet, daß der Refluxkühler die maximal mögliche Leistung erbringt. Zumindest bei Teilkondensation kann so eine Kühlwassereffizienz auch in der Praxis annähernd erreicht werden. Bei Systemen mit Vollkondensation hingegen muss man immer einen Überschuss an Kühlwasser aufwenden. Das berücksichtigt die Berechnung nicht.
Eventuelles Abkühlen des Reflux unter seinen Siedepunkt berücksichtigt der Rechner nicht. Rechenergebnisse mit unserem Kolonnensimulator zeigen aber, daß das außer einem kleinen Energieverlust keine großen Auswirkungen hat.
Die Berechnung 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 an Feed und Dampf eingeleitet wird und als Waste unten verworfen wird.
Eine Berechnung unter Einhaltung dieser zwei Regeln kann nur durch eine Simulation geschehen. Der Rechner befüllt zuerst alle Böden unterhalb des Feeds mit Feed, fügt dann den Wasserdampf von unten dazu und berechnet 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. In manchen Fällen kann es hier bei alten Computern ein paar Sekunden dauern, bis ein Ergebnis angezeigt wird. Vor allem, wenn der Waste eine niedrige und gleichzeitig das Destillat eine hohe Alkoholstärke hat. Deswegen und weil die hohe Genauigkeit 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.
Die berechneten theoretischen Böden beziehen sich hier auf den Abstand zwischen den Alkoholstärken des Feeds und des Destillats.
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%.
Beim Feed kann zwischen ml/min und g/min umgeschaltet werden. Danach richtet sich auch, ob links der Kolonne ml/min oder g/min angezeigt werden. Beim Dampf bedeuten ml/min das Volumen, wenn der Dampf kondensiert und auf 20 °C abgekühlt wäre. Nicht das viel größere Dampfvolumen. Seine angezeigte Temperatur bezieht sich aber natürlich auf die konkrete Temperatur des Dampfes in der Kolonne.
Zur berechneten Energiebilanz:
Wichtig zu wissen ist natürlich die nötige Energie für den Wasserdampf. Diese summiert sich aus der Energie für die Erwärmung des Wassers auf den Siedepunkt (ausgehend von Wasser mit 20 °C) und der deutlich größeren Verdampfungsenergie. Die negativen Watt-Werte weiter unten bedeuten die Energie, welche man abführen muss beziehungsweise zurückgewinnen kann, also man entweder in Kühlwasser abführen muss oder mit einem Wärmetauscher zum Vorheizen des Wasserdampf-Wassers oder des Feeds nutzen kann. Ganz unten wird der Verlust an die Umgebung absolut als Watt dargestellt und in Klammern als Prozent bezogen auf die aufgewendete Energie.
Berechenbar sind Luftdrücke zwischen 75 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.
Informationen über unsere Siedediagrammdaten und den Einfluss des Luftdrucks