Berechnet den Verlauf einer Potstill-Destillation mit bis zu zwei Thumpern und stellt ihn graphisch dar.
Dieser Rechner ist eine Weiterentwicklung unseres Destillationssimulator 2.
Hier können neben Destillationen mit einer normalen Potstill auch welche mit einem oder zwei Thumpern simuliert werden.
Dabei werden Faktoren wie die Abmessungen der Destille und ihre Isolierung berücksichtigt und damit unter anderem die Wärmeverluste und somit die Destillatmengen realistischer berechnet.
Auch die Rektifikation wird berechnet.
Es geht also darum, ein realistischeres Bild der Destillation zu erzeugen, vom Aufheizen bis -wenn man will- auch zum Abkühlen der Destille.
Diese über den Destillationssimulator 2 hinausgehenden Berechnungen basieren zwar auf physikalischen Gesetzen, aber natürlich können sie nicht unendlich weit ins Detail gehen.
Manche kleineren Faktoren bleiben unberücksichtigt.
Und manche Details sind hingebogen, bis sie mit Messdestillationen zusammengepasst haben.
Aber da die Berechnung grundsätzlich den wesentlichen physikalischen Gesetzmäßigkeiten folgt, glauben wir, daß sie zum Beispiel auch bei wesentlich größeren oder kleineren Destillen oder auch bei anderen Heizleistungen oder anderen Steigrohrdimensionierungen als den von uns verwendeten genau genug funktioniert.
Anmerkungen zur Benutzung:
Die eingegebenen Watt Heizleistung beziehen sich bei diesem Rechner auf die reale Leistung, welche die Steckdose verlässt.
Aber die Watt, welche bei der Simulation im Bild im Kessel und den Thumpern angezeigt werden, haben andere Bedeutungen:
Beim Aufheizen, beziehungsweise immer, wenn kein Dampf erzeugt wird, wird jene Leistung angezeigt, welche die Flüssigkeit erwärmt, egal, ob die Energie von einer Heizquelle oder von einströmendem Dampf stammt.
Falls die Flüssigkeit gerade abkühlt, zum Beispiel nach dem Abschalten einer Heizquelle, kann diese Leistung auch negativ sein.
Während Dampf produziert wird, wird die Leistung bezogen auf den oben am Steigrohrende ankommenden Dampf angezeigt.
Also die Dampfleistung in dem Behälter abzüglich dem, was der Dampf auf dem Weg nach oben durch passiven Reflux verliert.
In der normalerweise sehr kurzen Zeitspanne, wenn der Inhalt gerade zum Siedepunkt aufgeheizt wodren ist und anfängt Dampf zu produzieren, dieser Dampf aber auf dem Weg nach oben noch komplett kondensiert, wird daher 0 Watt angezeigt.
Wenn man mit einem Gasbrenner destilliert, muss man dessen Heizleistung in Watt abschätzen und entweder Herdplatte mit Gehäuse oder offene Herdplatte auswählen.
Auch die Thumper können beheizt werden.
Aber nur, wenn sie befüllt sind.
Läuft der Hauptkessel oder ein Thumper leer, erscheint kurz vorher ein Hinweis und dessen Heizquelle wird abgeschaltet.
Bei den Eingabefeldern für die Durchmesser der Behälter und der Steigrohre sollen die Innendurchmesser eingetragen werden.
Und bei den Behälterhöhen die inneren Höhen.
Beim Verändern von Kessel- oder Thumperdimensionen wird deren Volumen neu berechnet und daneben in litern dargestellt.
Und die Umrisse der Behälter werden graphisch auch sofort angepasst.
Das dargestellte Bild stimmt mit den eingegebenen Werten aber nur bezüglich der Volumenverhältnisse der Behälter überein.
Die genauen Höhen und Durchmesser werden nicht so dargestellt wie eingegeben.
Auch Länge und Durchmesser von Steigrohren werden graphisch nicht angepasst.
Es ist also eine vereinfachte Darstellung.
Berechnet wird die Destillation aber mit den konkret eingegebenen Längen und Durchmessern.
Der Destillatsbehälter rechts wird immer so groß dargestellt, daß er beim Abdestillieren aller Flüssigkeiten exakt randvoll ist.
Eine Isolierung von 0% bedeutet eine komplett unisolierte Destille.
50% bedeutet "normal" isoliert.
70% entspricht der in der Praxis maximal möglichen Isolierung.
Alles darüber hat nur eine theoretische Bedeutung.
Wird bei den Anfangstemperaturen der Flüssigkeiten oder bei der Umgebungstemperatur nichts eingegeben, geht der Rechner von 20°C aus.
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 in den Flüssigkeiten und dem Dampf sind dann die auf diesem Thermometer angezeigten, nicht die realen.
Dagegen soll als Umgebungstemperatur und als Temperatur des Kesselinhalts vor der Destillation der reale Wert eingegeben werden.
Die eher nebensächlichen ausgegebenen Temperaturen der Destillenwände sind dann reelle Temperaturen, nicht mit dem Thermometerfehler korrigiert.
Der Thermometerfehler bezieht sich also bei diesem Rechner nur auf in der Destille montierte Thermometer.
Nach auf "Befülle" drücken werden die Behälter mit den eingegebenen Flüssigkeiten befüllt und die Anfangswerte angezeigt.
Oder einen Hinweis, wenn etwas falsch eingegeben wurde.
Nun kann man in drei verschiedenen Geschwindigkeiten die Destillation laufen lassen.
Man kann dann pausieren (❙❙), wieder starten und auch die Geschwindigkeit verändern.
Im Pausemodus können die Heizleistungen, die Isolierungen, die Umgebungstemperatur und der Luftdruck verändert werden.
Sobald man die Destillation durch drücken von ◾ beendet hat, kann mit dem Schieberegler die Destillation weitere Male durchgegangen werden.
Im Bild dargestellt werden die Mengen, Alkoholgehalte und Temperaturen der Flüssigkeiten, die Alkoholgehalte und Temperaturen in den Dampfbereichen, die Destillatsströme in ml/min, die % Reflux (%R), die theoretischen Böden (thB), die Dauer in h:min:sek, die verbrauchten kWh und folgende Temperaturen der Behälterwände:
bei jedem Behälter unten links die Bodentemperatur (beziehungsweise bei Verwendung einer Herdplatte ist es eine Durchschnittstemperatur der Herdplatte und des Bodens), rechts mittig oder rechts unten die Wandtemperatur des befüllten Bereichs des Behälters, über dem Deckel links des Steigrohrs die Wandtemperatur des dampfgefüllten Bereichs inklusive des Deckels und Steigrohrs und bei der Simulation von Thumpern auch noch links von der Mitte des Geistrohrs die Wandtemperatur des in den Thumper reichenden Geistrohrs.
Wenn ein Thumper überläuft, erscheint ein Hinweis und die Simulation wird beendet.
Weitere Details zur Berechnung:
Grundsätzlich berechnet man der Wärmeverlust folgendermaßen: Wärmeverlust = Temperaturunterschied x Fläche x htc
Der htc (heat transfer coefficient) ist aber leider keine Konstante.
Wie viel er schwankt, ist schwer vorhersehbar.
Manchmal ist es vernachlässigbar, oft aber nicht.
Wir mussten also unter anderem aufgrund von Messergebnissen Vermutungen anstellen, wie sich der htc verändert.
Und auch warum.
Denn der Rechner soll ja für alle Destillen funktionieren, es müssen also Formeln oder Regeln für die htcs aufgestellt werden, die auch irgendwie eine physikalische Logik haben.
Es ist aber dann immer mehr deutlich geworden, daß nicht nur der htc variabel ist, sondern auch die Umgebungstemperatur (klingt unlogisch, dazu schreibe ich weiter unten mehr) und die Effizienz der Herdplatte:
Den htc durch das Metall haben wir als Konstante belassen, auch wenn es bei Kupfer und Edelstahl unterschiedlich ist.
Aber es ist ein eher unwichtiges Detail.
Die Wandstärke der Destillenteile haben wir in diesem Zusammenhang auf 1mm eingestellt.
Den htc des Metalls nach außen haben wir als Konstante genommen.
Hier kommt aber die variable Umgebungstemperatur ins Spiel.
(Siehe später)
Der htc für die Konvektion des Kesselinhalts nach oben wird vom durchschnittlichen Abstand der Kesselinhaltoberfläche zu den Destillenflächen oberhalb beeinflusst.
Für eine noch realistischere Darstellung hätten wir die Destille und auch die Thumper in übereinanderliegende Scheibchen mit jeweils eigener Temperatur aufteilen müssen.
Dann könnte man beobachten, wie beim Aufheizen die Wärme nach oben kriecht.
Wir haben die Destille bezüglich ihrer Wandtemperatur aber nur in folgende Bereiche aufgeteilt:
Der Boden, beziehungsweise der Boden und die Herdplatte als eine Einheit.
Diesen Bereich einzeln zu nehmen, ist bei Verwendung einer Herdplatte wichtig, welche im Betrieb ja weitaus die höchste Temperatur der Destille hat.
Der flüssigkeitsgefüllte Bereich.
Der dampfgefüllte Bereich inklusive Deckel und Steigrohr.
Flüssigkeits- und dampfgefüllte Bereiche zu unterscheiden, ist wichtig, da Dämpfe Wärme besser an Wände übertragen als Flüssigkeiten.
Die Temperatur des Geistrohrs in den Thumper.
Das ist nicht so wichtig.
Es sorgt aber wahrscheinlich für realistischere Veränderungen der Füllhöhe des Thumpers.
Hierbei nimmt der Rechner für das Geistrohr denselben Durchmesser und dieselbe Isolierung an, wie es das davorliegende Steigrohr hat, und die Höhe, die es braucht, damit alle Behälter auf derselben Ebene stehen.
Der htc vom Dampf zum Metall ist konstant und sehr hoch.
Der htc vom flüssigen Kesselinhalt zum Metall haben wir in Abhängigkeit zur Temperatur und dem Siedepunkt der Flüssigkeit gesetzt.
Je höher die Temperatur, desto stärker der Wärmeübergang (höherer htc).
Die Herdplatte gibt bei hohen Watt pro cm² sehr viel Wärme nach unten ab, verliert also Effizienz.
Diese Effizienz der Herdplatte haben wir in Abhängigkeit von den Watt und dem Kessel- oder Thumperdurchmesser gesetzt.
Davon ausgehend, daß der Herdplattendurchmesser bei einer Destille mit großem Durchmesser auch tendenziell größer ist als bei einer kleinen Destille.
Also große Destille = große Herdplatte.
Unsere Beobachtung war aber, daß die Effizienz immer extremer sinkt bei steigenden Watt pro cm².
Wenn man das in eine Formel packt, gibt es irgendwo dann eine Effizienz unter 0, was natürlich nicht sein kann.
Irgendwo muss die Tendenz wieder umdrehen.
Wo, wissen wir aber nicht.
Deswegen sind im Vergleich zur Bodenfläche extrem hohe Leistungen bei Verwendung einer Herdplatte im Rechner ausgeschlossen.
Und zwar mehr als 10 Watt/cm².
Bei einer für uns typischen Topfgröße mit 28cm Durchmesser ist dieser Punkt bei ca 6150 Watt erreicht.
Gibt man mehr ein, erscheint eine Warnung.
Solch extrem hohe Leistungen haben wir natürlich nicht ausprobiert.
Die berechnete Effizienz der Kochplatte in diesem Wattbereich ist also spekulativ.
Induktionsplatten haben anscheinend eine etwas geringere Effizienz als herkömmliche Platten.
Das müssen wir aber noch weiter beobachten.
Die Umgebungstemperatur ist natürlich eigentlich unabhängig von der Destille.
Allerdings spürt man ja die Wärme der Destille, wenn man seine Hand in die Nähe der Destillenwand bringt.
Und das hängt auch von der Größe des Destillenteils ab.
Also 10cm neben einem dünnen Steigrohr bemerkt man die Wärme nicht, 10cm neben dem großen Kessel aber schon.
Also haben wir die Umgebungstemperatur in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz und des Durchmessers des Destillenteils erhöht.
Nur so waren die gemessenen überproportional starken Wärmeverluste bei hohen Steigrohren zu erklären.
Die % Reflux lassen sich genau berechnen, wenn man weiß, wo die Destille wie viel Wärme verliert.
Aber wie viel Rektifikation das bewirkt, hängt von den reellen Böden der Destille ab.
Und da eine Potstill ja keine wirklichen Böden hat, mussten wir das aus ein paar Messungen und logischem Denken abschätzen.
Nun werden die reellen Böden berechnet aus:
Der Refluxfläche.
Je mehr Fläche, desto mehr Interaktionsfläche mit dem Dampf.
Dem Refluxstrom (also ml/min Reflux).
Je langsamer der Reflux fließt, desto mehr Zeit für Interaktion mit dem Dampf.
Ohne die Berücksichtigung des Refluxstroms würde langsam Destillieren weniger Rektifikation verursachen als von uns gemessen.
Und vom durchschnittlichen Abstand der Refluxflächen vom Kesselinhalt.
Denn je höher die Destille ist, desto länger ist der Weg des Reflux nach unten, desto mehr Zeit für Interaktion mit dem Dampf.
Ohne diese Berücksichtigung des Abstands würde die Erhöhung der reellen Böden, wenn man ein langes Steigrohr hinzumontiert, zu gering berechnet werden.
Sich daraus ergebende praktische Konsequenzen für die Benutzung von Thumpern:
In einen Thumper kann man ja normalerweise nicht hineinschauen.
Es stellt sich daher während der Destillation mit einem Thumper oft die Frage, ob er Gefahr läuft, überzulaufen, oder ob der Hauptkessel oder ein beheizter Thumper trockenläuft und dann der letzte Rest in ihm anbrennt.
Natürlich haben sich da aus der großen praktischen Erfahrung, die vor allem amerikanische und australische Hobbybrenner mit Thumpern haben, mit der Zeit ein paar Regeln herauskristallisiert, die hier auch gar nicht widerlegt werden.
Mit der Simulation kann man aber nun etwas mehr ins Detail schauen.
Auch die Frage, inwiefern ein Thumper eine ganze zweite Destillationsstufe oder nur ein Bruchteil davon bildet, wovon das abhängt und warum das so ist, kann beantwortet werden:
In welchen Fällen läuft der Thumper über?
Während der noch kalte Thumperinhalt durch den einströmenden Dampf erhitzt wird, füllt sich der Thumper weiter.
Je langsamer man destilliert, umso länger dauert diese Phase und umso mehr füllt sich der Thumper, da ein großer Teil des Wärmeverlust pauschal ist, also nicht von der Heizleistung abhängt.
Etwas mehr füllt er sich außerdem, wenn er nicht isoliert ist.
Schon beim Aufheizen ist also eine große Gefahr, daß es überläuft.
Sobald der Thumper ebenfalls Dampf produziert, hängt es von zwei Punkten ab, ob der Thumper sich weiter füllt oder ob er sich leert:
Die unterschiedlichen Alkoholgehalte im Kessel und im Thumper:
Sobald der Thumper Dampf produziert, leert er sich in den meisten praktischen Fällen erstmal langsam.
Nur wenn der Alkoholgehalt im Hauptkessel wesentlich höher ist als im Thumper, füllt sich der Thumper weiter.
Normalerweise hat man aber im Thumper eine höhere Alkoholstärke als im Hauptkessel.
Die Ausnahme ist, wenn man eine Wasserdampfdestillation macht, zum Beispiel um Anbrennen zu verhindern, also zum Beispiel man in den Hauptkessel Wasser und in den Thumper Maismaische mit 10vol% gibt.
Dann füllt sich der Thumper in geringem Ausmaß weiter.
Ein wirklich schnelles Ansteigen des Pegels bekommt man aber nur, wenn man in den Kessel zum Beispiel 90vol% gibt und in den Thumper Wasser.
Das macht man in der Praxis aber ja nicht.
Die Heizleistung:
Wie schon beim Aufheizen sorgt eine hohe Heizleistung dafür, daß man relativ gesehen weniger Wärmeverluste hat, wodurch sich der Thumper dann eher leert als füllt.
Also bei einer normalen Verwendung mit normaler Heizleistung und mit einer Maische im Hauptkessel und mit einer dazu passenden Menge Nachläufe oder Raubrand im unbeheizten Thumper, füllt sich der Thumper beim Aufheizen seines Inhalts.
Sobald er Dampf produziert, leert er sich.
Und das mit der Zeit immer langsamer, weil sein Alkoholgehalt schneller absinkt als der im Hauptkessel.
Abhängig von der Heizleistung und der Isolierung kommt irgendwann ein Punkt, wo sich das umdreht, er sich also wieder befüllt.
In vielen Fällen wird man die Destillation hier aber bereits beenden.
Mit wie viel litern und mit welcher Alkoholstärke sollte man den Thumper befüllen?
Kann es sinnvoll sein, mit leerem Thumper zu beginnen?
Wenn man den Thumper vor der Destillation gar nicht befüllt, wird zwar jeder Tropfen Destillat am Ende doppelt gebrannt sein, aber es findet außer beim Vorlauf nur eine sehr geringe Erhöhung der Alkoholstärke gegenüber einer einfachen Potstilldestillation statt, weil die sich im Thumper ansammelnde geringe Menge Flüssigkeit permanent stark ausgelaugt wird, sich also außer beim Vorlauf keine hohe Alkoholstärke dort etablieren kann.
Der Thumper hilft dann also nur gegen Überschäumen, man bekommt ein sauberes Destillat.
Und man bekommt eine stärkere Trennung beim Vorlauf.
Um den Mittellauf nicht mit Nachlaufstoffen zu beeinträchtigen, braucht man aber die hohe Alkoholstärke.
Besser ist es also normalerweise, den Thumper zu befüllen.
Wenn man aber nur Maische hat, also die Maische auf Kessel und Thumper verteilt, kann man zwar eine genug hohe Alkoholstärke für eine gute Mittellaufausbeute bekommen, aber das Destillat ist teilweise nur einfachgebrannt und kann daher Trübungen aufweisen und allgemein trotz des hohen Alkoholgehaltes etwas wie ein Raubrand schmecken.
Wenn man im Vergleich zum Hauptkessel viel Maische in den Thumper gibt, bekommt man von Anfang an eine nicht besonders hohe Alkoholstärke im Destillat, aber diese sinkt nur langsam.
Wenn man im Vergleich zum Hauptkessel wenig Maische in den Thumper gibt, bekommt man anfangs eine hohe Alkoholstärke, welche dann aber sehr schnell sehr weit absinkt.
Es ist also normalerweise nötig, daß im Thumper eine höhere Alkoholstärke als im Hauptkessel ist.
Zum Beispiel ein Raubrand im Thumper und eine Maische im Hauptkessel.
Denn erstens ist dann am Ende jeder Tropfen Destillat mindestens doppeltgebrannt und zweitens wird die Alkoholstärke im Destillat über eine lange Zeit hoch genug sein, um einen nachlaufarmen Mittellauf mit guter Ausbeute zu bekommen.
Anstelle extra für die Thumperfüllung Raubrände zu machen, kann man natürlich aber auch Vor- und Nachläufe von vorherigen ähnlichen Projekten nehmen.
Und das ist ja auch die einzige Art und Weise, wie heutzutage Thumper kommerziell eingesetzt werden: "Potstill destillierter Rum" meint meistens eine Potstill mit zwei Thumpern (hier "retorts" genannt), der erste befüllt mit Nachläufen mit 30-50vol%, der zweite mit Vor- und Nachläufen mit 60-80vol%.
Und diese Brennweise mit schon Gebranntem mit hoher Alkoholstärke im Thumper erscheint eben auch aufgrund des Simulators als die einzige sinnvolle Verwendung von Thumpern.
Sonst nur die Wasserdampfdestillation, um Anbrennen zu verhindern, anstelle eines Rührwerks.
Aber ohne einen weiteren mit hoher Alkoholstärke befüllten Thumper, sind diese Destillate dann eher Raubrände.