Calcul de la Chauffe d'un Alambic à Reflux et Bilan Matière
Voici une modélisation de la chaleur et du bilan matière autour des 4 étages typiques d'une colonne.
Description d'une partie d'une colonne de distillation… la vapeur montante et chaude rencontre un écoulement liquide plus frais (au-dessus de billes ou d'un packing de tampons à récurer en acier inoxydable). Comme elle se refroidit un peu, une partie de la vapeur d'une teneur élevée en eau condense, elle libère assez de chaleur pour réchauffer le liquide et pour le vaporiser en une vapeur riche en éthanol (et améliore ainsi les % d'alcool dans la vapeur montant dans la colonne). Chaque gramme d'eau qui condense abandonne assez d'énergie pour vaporiser 2,6 g d'éthanol.
Si vous mettez un refroidissement central dans la colonne vous perturbez ceci ; l'égouttement liquide sera un peu plus froid, et la vapeur montante n'aura plus assez de chaleur disponible pour vaporiser l'alcool. Ainsi cette partie de la colonne ne fera rien. Aucun gain en % d'alcool. Aucun point qui travaille. Le liquide va devoir s'égoutter plus bas, et il faudra davantage de vapeur pour récupérer une température de fonctionnement. La vapeur montante sera trop refroidie - ainsi elle ne sera pas efficace dans son ascension. C'est la raison pour laquelle il faut isoler la colonne - éviter les pertes de chaleur inutiles sapant l'énergie de la vapeur. Après ça vous fonctionnerez avec une augmentation régulière de la température dans la colonne, de sa base (96°C) jusqu'en haut (autour de 78-79°C).
Pour utiliser ce modèle, choisir juste la chaleur qui rentre dans le pot, la valeur de refroidissement du condenseur (grosso-modo ces valeurs devraient être identiques), et le ratio de reflux (combien de liquide retourne dans la colonne sur la quantité prélevée). Vous pouvez également choisir de faire un refroidissement additionnel au niveau des plateaux (par exemple des tuyaux de refroidissement mis dans la colonne).
Comment faut-il le lire? La pureté et la température sont déjà déterminées par l'équilibre vapeur-liquide. Chaque plateau ici est la limite d'une « étape » suivant les indications de la partie théorie déjà décrite. La colonne « vapeur » vous montre le débit de la vapeur entrant dans le plateau, le débit total, et le débit de la vapeur d'éthanol seul. La colonne « liquide » est la quantité de liquide entrant dans le plateau (total et éthanol
Essayer quelques exercices et exemples avec ceci…
Vitesse de refroidissement - minimum et maximum La chaleur enlevée de la colonne doit être identique à l'entrée. Ceci signifie que pour une entrée donnée, il y a une vitesse minimum à laquelle il faut refroidir (total des pertes de chaleur du condenseur et des pertes supplémentaires). Si vous allez en-dessous du minimum, vous ne condenserez pas toute la vapeur (la valeur « sous-refroidissement » sera négative (par exemple plus chaude que son point de condensation)) et sera perdue comme vapeur (bonne pour mettre du feu à la place). Si le taux de refroidissement est trop grand (par exemple 1400W au lieu de 1200W) le distillat obtenu sera trop froid, et affectera quelques plateaux supérieurs. C'est parce qu'il n'y a pas assez de chaleur dans la vapeur montante, à la fois pour chauffer le liquide de reflux (parce qu'il est maintenant trop froid) et en extraire de l'éthanol. Donc dans la pratique ne pas faire passer votre eau de refroidissement trop rapidement - et maintenir le distillat assez chaud.
Les tuyaux de refroidissement qui passent à travers (pass-through) - regardez ce qui se produit si vous faites un refroidissement additionnel à mi-chemin de la colonne (par exemple placer une perte de chaleur au plateau 3 à 200W). Le débit de la vapeur d'éthanol cesse d'être amélioré, et cette section de la colonne s'arrête de travailler. C'est parce que la seule chaleur disponible (dans la vapeur montante) sert maintenant à chauffer le liquide froid pour soutenir sa température d'équilibre, et donc n'arrivera pas à vaporiser de l'éthanol. Aussi en pratique, faire tout votre refroidissement/condensation TOUT EN HAUT de la colonne, et pas en partie vers le haut. Ceci permet au liquide d'être à la bonne température en haut, de sorte qu'il puisse alors progresser vers le bas de la colonne sans à-coup, avec toute la chaleur de la vapeur employée pour vaporiser l'éthanol. Isoler également votre colonne, afin d'éviter des pertes de chaleur non nécessaires.
S'il subsiste encore un peu de confusion sur le fonctionnement exact du reflux, relire les explications du livre « Moonshine made simple and still makers manual », par Byron Ford, sur la façon dont une colonne à reflux fonctionne, .
Quand la vapeur se dégage du moût, c'est un MÉLANGE d'éthanol et de vapeur d'eau. Si vous mettez quelque chose de froid sur son chemin, ce MÉLANGE condensera.
Vous n'arrivez pas à condenser les « fractions les plus lourdes » pour laisser passer les « fractions plus légères ». Si c'était aussi simple, tout ce que nous aurions à faire serait de mettre quelque chose entre le pot et le condenseur à disons 85-90°C, cela ferait lâcher toute l'eau, laisserait l'éthanol pur, et fournirait une pureté de 100% en une seule étape. Mais la vie n'est pas aussi simple.
Ce qui se produit à la place c'est que le mélange liquide plus frais commence à retomber en bas de la colonne, croisant la vapeur montante chaude. Ceci refroidit la vapeur (juste un chouïa). Une fois que c'est fait, on constate qu'il peut y avoir maintenant plus d'alcool et moins d'eau. En même temps, comme le liquide se réchauffe un peu, on se rend compte qu'il peut tenir moins d'éthanol et plus d'eau. Pour obtenir un nouvel « équilibre », ils permutent un peu entre les deux - la vapeur prendra une partie de l'éthanol du liquide, et le liquide prendra de l'eau de la vapeur. La teneur exacte de chacun dépend de la température. Mais l'effet global est que la vapeur obtenue est plus riche en % d'éthanol plus on monte dans la colonne (et dans les sections plus fraîches au dessus de celle-ci), pourvu qu'elle rencontre un peu de liquide avec lequel elle peut « s'équilibrer ».
Résultat semblable que vous dites appeler comme « juste avoir de l'eau qui condense » ? Pourquoi tant discuter la-dessus? Parce que ce n'est tout à fait la même chose. Si c'était « juste de l'eau qui condense », alors vous n'auriez pas besoin de packing au-dessous des « tubes au-travers ». Vous pourriez avoir seulement une colonne vraiment très courte, avec des tas des tubes la traversant pour piéger toute l'eau, et obtenir de grands résultats. Mais ceci ne fonctionne pas. Ce qui se produirait c'est que vous recycleriez indéfiniment votre mélange, et que très peu arriverait au condenseur. Allez-y, essayez pour voir (sic).
Vous avez besoin d'un « équilibre ». Pour ça il faut de la superficie pour étaler le liquide (en couche mince), de sorte que la vapeur puisse se mélanger avec. C'est pourquoi nous avons besoin de colonnes plus grandes, avec du packing à l'intérieur.
Aha dites vous - mais « les alambics pour l'alcool » à reflux sans packing, travaillent souvent comme ça, et obtiennent une pureté de disons 75%, améliorant la production d'un pot-still ordinaire qui sort à 60%. Oui, mais c'est parce qu'ils ont toujours un peu de superficie pour que le liquide de reflux s'étale sur les parois de la colonne sur le chemin du retour. Mais c'est vraiment inefficace, parce qu'il n'y en pas beaucoup. Noter les grands résultats que Mos&Liz, et kev ont, simplement en mettant du packing en dessous, pour une même quantité de reflux qui va s'y étaler. Aux environs de 90%. Ça fait une différence, hein? La pureté n'a pas augmenté parce qu'ils ont soudainement commencé à générer plus de liquide de reflux, mais parce qu'ils lui ont donné une surface plus importante pour diffuser.
Désolé si je perturbe quelqu'un en montant encore sur mon « cheval passe-temps », mais ça me dérange quand un livre montre un design d'alambic erroné. Ça vous mènerait à des décisions fausses en essayant d'améliorer votre alambic. Oui, les tubes traversant inférieurs aideront si vous avez surdimensionné votre élément de chauffe, et dans ce cas vous devez limiter la quantité de vapeur montant dans la colonne, mais ils ne font rien pour la pureté. C'est seulement le liquide ruisselant vers le bas au-dessus du packing qui en sera capable.