Kolonnenlänge / Kolonnendurchmesser
Verfasst: 6. Nov 2018, 22:05
Was bringt die Länge und was bringt der Durchmesser einer packungsgefüllten Refluxkolonne?
Kolonnenlänge:
Je länger die Kolonne, desto mehr theoretische Platten sind übereinandergestapelt, bzw desto mehr theoretische Destillationen finden statt. Wenn eine 50cm-lange Kolonne 10 Platten hat, hat eine gleiche, 1m lange 20 Platten. Ohne daß man mehr Energie reinsteckt!
Wieviele Platten diese 50cm genau haben, hängt von der Effizienz des Packungsmaterials ab. Diese wird in HETP (Height Equivalent to a Theoretical Plate) ausgedrückt. HETP bezeichnet, wie viel Packungshöhe einer theoretische Platte entspricht. ZB 5 Platten bedeutet, daß man bei 100% Reflux dieselben % erreicht, wie mit 5 Potstill-Destillationen. Je kleiner der HETP-Wert, desto effizienter die Packung also, da die Kolonne dann für dieselbe Plattenanzahl kürzer sein darf oder dieselbe Kolonnenlänge mehr Platten hat. ZB das Packungsmaterial SPP (Spiral Prismatic Packing) hat angeblich 3cm HETP. Wie immer sind Herstellerangaben aber mit Vorsicht zu genießen. Und selbst wenn diese 3cm stimmen, dann gelten sie aber nur unter perfekten Bedingungen, also dem für dieses Packungmaterial optimalen Kolonnendurchmesser und die dafür optimale Heizleistung.
Hier ein paar HETP-Werte von anderen Packungsmaterialien als SPP:
http://homedistiller.org/theory/refluxdesign/hetp
Diese Werte werden aber immer mal wieder diskutiert. Mancher findet zB, daß Murmeln einen besseren Wert haben würden. Und ob die Werte von SPP wirklich um so ein Vielfaches besser sind, wer weiß. Ich bin jedenfalls zufrieden damit und meine auch eine klare Verbesserung zu Edelstahlschrubbern bemerkt zu haben.
Wie auch immer, eine 1m lange Kolonne mit SPP hätte also 100cm : 3cm = 33 Platten.
Diese Platten sind aber nur bei 100% Reflux vollständig aktiv. Sobald man Produkt abzieht, verliert man Platten. Bei einem Reflux Ratio von 1:1, wenn also die Hälfte des Dampfes in die Kolonne zurückgeleitet wird und die andere Hälfte abgezogen wird, hat man nur noch halb so viele theoretische Platten, also 16.5. Man brennt also etwa doppelt so lange, wie mit einer Potstill, bekommt aber 16.5 Destillationen.
Wenn man nur 50cm Kolonne hat, bekommt man 16.5 Platten, aber nur so lange man kein Produkt abzieht. Wenn man also ein ähnlich sauberes Destillat wie mit 1m-Kolonne haben will, darf man nur geringste Mengen Produkt abziehen, muss den meisten Dampf also zurückschicken. Ein Reflux ratio von zB 1:10 bedeutet dann, man verliert 1/10 der Platten, hat also noch ca. 15 Platten und die Destillation dauert 5 mal so lange und kostet 5 mal so viel Energie!
Also was bringt eine längere Kolonne?
Einen saubereren Alkohol, kürzere Destillationdauer und weniger Energiekosten.
Kolonnendurchmesser:
Für 52mm (54mm- oder 2"-Rohr) Kolonneninnendurchmesser ist für SPP 2-2.5kW eine passende Leistung (laut Herstellern und den Erfahrungen vieler Hobbybrenner). Dann ist der HETP-Wert am kleinsten. Theoretisch muss das Packungsmaterial für jeden Durchmesser etwas anders sein, gröber oder feiner, um einen möglichst kleinen HETP-Wert zu erreichen. In der Praxis ist halt nicht alles erhältlich, was man sich so wünscht. Nicht so schlimm.
Doppelter Durchmesser verlangt/erlaubt 4fache Leistung, da sich die Querschnittsfläche vervierfacht. Also 104mm erlaubt satte 8-10kW. Halber Durchmesser verlangt 1/4 der Leistung. Also 26mm erlaubt nur lächerliche 500-625W. Deswegen sind Kolonnen aus 28mm-Rohr grundsätzlich nicht empfehlenswert, da 1/4 der Leistung bedeutet, daß eine vergleichbare Destillation 4 mal so lange dauert.
Bei zB Edelstahl- oder Kupferschrubbern hängt es sehr davon ab, wie stark sie in der Kolonne zusammengedrückt werden, welche Leistung optimal ist. Aber meist ist es doch ähnlich zu SPP.
Der Kolonnendurchmesser und die Heizleistung sollten also zusammenpassen. Je größer der Durchmesser, desto mehr Leistung kann und soll man einsetzen. Mehr Leistung bedeutet, mit dem Brennen schneller voranzukommen.
Eine zu hohe Leistung bewirkt ein Fluten der Kolonne, dh anstelle daß der Dampf aufwärts geht und das Kondensat herunter, wird (noch zu unsauberes) Kondensat aus dem unteren Bereich der Kolonne ohne weitere Reinigung vom Dampf nach oben gepresst, die Prozente und die Reinheit sinken. Im schlimmsten Fall sprudelt schwallweise unsauberes Destillat am Refluxkühler vorbei. Bei einer CM geht das dann in den Produktkühler, bei einer LM spritzt es oben aus der Öffnung über dem Refluxkühler.
Eine zu niedrige Leistung bedeutet (neben Zeitverlust) einen schlechteren/größeren HETP-Wert. Man kommt also nicht auf ganz so hohe %.
Also was bringt ein größerer Kolonnendurchmesser?
Die Möglichkeit (bzw Pflicht), mehr Heizleistung einzusetzen. Doppelte Heizleistung -> halb so lange Destillationsdauer.
Kolonnenlänge:
Je länger die Kolonne, desto mehr theoretische Platten sind übereinandergestapelt, bzw desto mehr theoretische Destillationen finden statt. Wenn eine 50cm-lange Kolonne 10 Platten hat, hat eine gleiche, 1m lange 20 Platten. Ohne daß man mehr Energie reinsteckt!
Wieviele Platten diese 50cm genau haben, hängt von der Effizienz des Packungsmaterials ab. Diese wird in HETP (Height Equivalent to a Theoretical Plate) ausgedrückt. HETP bezeichnet, wie viel Packungshöhe einer theoretische Platte entspricht. ZB 5 Platten bedeutet, daß man bei 100% Reflux dieselben % erreicht, wie mit 5 Potstill-Destillationen. Je kleiner der HETP-Wert, desto effizienter die Packung also, da die Kolonne dann für dieselbe Plattenanzahl kürzer sein darf oder dieselbe Kolonnenlänge mehr Platten hat. ZB das Packungsmaterial SPP (Spiral Prismatic Packing) hat angeblich 3cm HETP. Wie immer sind Herstellerangaben aber mit Vorsicht zu genießen. Und selbst wenn diese 3cm stimmen, dann gelten sie aber nur unter perfekten Bedingungen, also dem für dieses Packungmaterial optimalen Kolonnendurchmesser und die dafür optimale Heizleistung.
Hier ein paar HETP-Werte von anderen Packungsmaterialien als SPP:
http://homedistiller.org/theory/refluxdesign/hetp
Diese Werte werden aber immer mal wieder diskutiert. Mancher findet zB, daß Murmeln einen besseren Wert haben würden. Und ob die Werte von SPP wirklich um so ein Vielfaches besser sind, wer weiß. Ich bin jedenfalls zufrieden damit und meine auch eine klare Verbesserung zu Edelstahlschrubbern bemerkt zu haben.
Wie auch immer, eine 1m lange Kolonne mit SPP hätte also 100cm : 3cm = 33 Platten.
Diese Platten sind aber nur bei 100% Reflux vollständig aktiv. Sobald man Produkt abzieht, verliert man Platten. Bei einem Reflux Ratio von 1:1, wenn also die Hälfte des Dampfes in die Kolonne zurückgeleitet wird und die andere Hälfte abgezogen wird, hat man nur noch halb so viele theoretische Platten, also 16.5. Man brennt also etwa doppelt so lange, wie mit einer Potstill, bekommt aber 16.5 Destillationen.
Wenn man nur 50cm Kolonne hat, bekommt man 16.5 Platten, aber nur so lange man kein Produkt abzieht. Wenn man also ein ähnlich sauberes Destillat wie mit 1m-Kolonne haben will, darf man nur geringste Mengen Produkt abziehen, muss den meisten Dampf also zurückschicken. Ein Reflux ratio von zB 1:10 bedeutet dann, man verliert 1/10 der Platten, hat also noch ca. 15 Platten und die Destillation dauert 5 mal so lange und kostet 5 mal so viel Energie!
Also was bringt eine längere Kolonne?
Einen saubereren Alkohol, kürzere Destillationdauer und weniger Energiekosten.
Kolonnendurchmesser:
Für 52mm (54mm- oder 2"-Rohr) Kolonneninnendurchmesser ist für SPP 2-2.5kW eine passende Leistung (laut Herstellern und den Erfahrungen vieler Hobbybrenner). Dann ist der HETP-Wert am kleinsten. Theoretisch muss das Packungsmaterial für jeden Durchmesser etwas anders sein, gröber oder feiner, um einen möglichst kleinen HETP-Wert zu erreichen. In der Praxis ist halt nicht alles erhältlich, was man sich so wünscht. Nicht so schlimm.
Doppelter Durchmesser verlangt/erlaubt 4fache Leistung, da sich die Querschnittsfläche vervierfacht. Also 104mm erlaubt satte 8-10kW. Halber Durchmesser verlangt 1/4 der Leistung. Also 26mm erlaubt nur lächerliche 500-625W. Deswegen sind Kolonnen aus 28mm-Rohr grundsätzlich nicht empfehlenswert, da 1/4 der Leistung bedeutet, daß eine vergleichbare Destillation 4 mal so lange dauert.
Bei zB Edelstahl- oder Kupferschrubbern hängt es sehr davon ab, wie stark sie in der Kolonne zusammengedrückt werden, welche Leistung optimal ist. Aber meist ist es doch ähnlich zu SPP.
Der Kolonnendurchmesser und die Heizleistung sollten also zusammenpassen. Je größer der Durchmesser, desto mehr Leistung kann und soll man einsetzen. Mehr Leistung bedeutet, mit dem Brennen schneller voranzukommen.
Eine zu hohe Leistung bewirkt ein Fluten der Kolonne, dh anstelle daß der Dampf aufwärts geht und das Kondensat herunter, wird (noch zu unsauberes) Kondensat aus dem unteren Bereich der Kolonne ohne weitere Reinigung vom Dampf nach oben gepresst, die Prozente und die Reinheit sinken. Im schlimmsten Fall sprudelt schwallweise unsauberes Destillat am Refluxkühler vorbei. Bei einer CM geht das dann in den Produktkühler, bei einer LM spritzt es oben aus der Öffnung über dem Refluxkühler.
Eine zu niedrige Leistung bedeutet (neben Zeitverlust) einen schlechteren/größeren HETP-Wert. Man kommt also nicht auf ganz so hohe %.
Also was bringt ein größerer Kolonnendurchmesser?
Die Möglichkeit (bzw Pflicht), mehr Heizleistung einzusetzen. Doppelte Heizleistung -> halb so lange Destillationsdauer.