Текст писался для сайта моих друзей https://domovar.com.ua и у себя выложу.
Дистилляция происходит от латинского «стекание каплями», это испарение какого-либо вещества или смеси веществ с последующим охлаждением и конденсацией паров и сбором конденсата.
Зачем это вообще надо?
Для изменения взаимной концентрации веществ.
Как это работает и вообще почему так?
Все вещества имеют разный скажем так «коэффициент летучести» связанный с их температурой кипения и другими свойствами. В результате концентрация веществ в жидкой смеси отличается от концентрации в парах. Того компонента, у которого температура кипения меньше, в парах больше.
Мы сейчас более подробно рассмотрим свойства смеси этиловый спирт – вода.
Основным, хотя и не единственным источником данных у меня служат такие книги как:
Стабников В.Н. Перегонка и ректификация этилового спирта. 2-е издание. — М.: Пищевая промышленность, 1969. — 456 с.
Стабников В.Н., Ройтер И.М., Процюк Т.Б. Этиловый спирт.
М.: Пищевая промышленность, 1976. — 272 с.
Если посмотреть на таблицу 1-10 в первой книге, таблица называется, цитирую «Состав кипящей водно-спиртовой жидкости и образующегося из неё пара и температура кипения этой жидкости при атмосферном давлении.»
То есть она показывает, к примеру сколько у нас будет спирта в парах, если к кипящем растворе (браге) его скажем 1%.
Таблица даёт концентрации в двух вариантах, в массовых или молярных процентах, а не в привычных нам объёмных, но нам сейчас не точные цифры нужны а тенденции.
Так вот если у нас в жидкости 1% массовый спирта то в парах его будет 10,75% то есть почти в 11 раз больше, и при низких концентрациях эта разница достигает 13. Например при 0,01% спирта в жидкости в парах его 0,13% при 0,1% спирта в жидкости в парах его 1,3%, при 0,4% в растворе 4,9% в парах.
Это даёт ответ на вопрос «как понять, что можно уже не гнать дальше и что я при этом не потеряю много спирта»
Смотрите что получается. В тёплом растворе, вы вполне уловите 1-2% спирта, если ранее уже не напробовались, но в этом случае можно и вообще подорваться в процессе и дом спалить поэтому мы его как базовый рассматривать не будем. А если всё-таки приняли чуть, то 5% спирта точно всё же уловите.
Итак у вас скажем 50 литров 10% браги, то есть из неё должно получится в идеале 5 литров спирта или 12 литров водки, если вы остановите процесс когда в дистилляте будет 5% спирта, а это величина однозначно вылавливаемая на вкус, в кубе у вас будет 0,4% то есть было 10% осталось 0,4%, то есть 1/25 от исходного, ваши потери 0,48 литра водки. На фоне остального немало, но и не много. В действительности потери меньше.
Первую перегонку надо делать «досуха» пока вкус спирта вообще не перестанет чувствоваться, это меньше 1% в тёплом растворе, тогда в жидкости это менее 0,07% 10/0,07=143 или 12/143=0,083 литров наши потери 83 грамма водки. Это вы как-то переживёте если только демоны жадности не поработили ваш мозг.
Гораздо большие потери при второй перегонке, очищающей, когда вы отдельно собираете весьма спиртосодержащие хвосты и головы. Но это потери обратимые, когда у вас накопится хвостов и голов побольше вы их перегоните повторно. Лучше на ректификационной колонне, но об этом не сейчас. Сейчас поговорим что получается если гнать второй, третий и более раз. Вот вам диаграмма спирт вода. По оси ИКС вправо идёт концентрация спирта в воде, а вверх концентрация в соответствующих этой жидкости парах. Видно, что вначале концентрация спирта в парах отличается на порядок, потом эта разница падает, то есть каждая последующая перегонка даёт меньше отделение спирта от воды
Берём на оси Х концентрация в процентах объёмных спирта в жидкости, величину в 1% и видим что если поднять вверх линию пока она не упрётся в график то точка пересечения находится на высоте 11% по оси концентрация в процентах объёмных спирта в парах. Когда эти пары сконденсируются то в них и будут эти 11% об. Теперь вторая дистилляция, мы от точки на графике проводим горизонталь вправо до пересечения с диагональю, поскольку диагональ идёт под углом 45 градусов то вертикаль от точки пересечения даст по оси жидкости те же 11% об, то есть вторая дистилляция стартует с 11% об спирта в жидкости. Снова проводим вертикаль из этой точки и получаем приблизительно 53%об. Далее процесс повторяем, третья перегонка даёт 78% об, четвёртая 85% об. И так далее. Но вы видите что если вначале у нас было увеличение концентрации в 11 раз, то на второй перегонке в 5 на третьей в 1,4 раза, на четвёртой в 1,08 раза и далее эта величина плавно падает. Это следует из свойств водно-спиртового раствора, которые наглядно отображает график. Далее график пересекается с диагональю это происходит, когда спирта 95,57 массовых процента или 97,2 процента объёмных.
Смесь по массе 95,57% этанола и 4,43% воды является азеотропной, т. е. не разделяется при перегонке, кипит при нормальном давлении при температуре 78,174 °C, в то время как абсолютированный этанол 100%, имеет более высокую точку кипения 78,39 °C
График продолжается и далее этой точки. Но он идёт ПОД диагональю, то есть если мы будем перегонять растворы, в которых спирта больше, чем 95,57 % по массе, то мы будем УМЕНЬШАТЬ в них концентрацию спирта.
Спирт концентрацией выше азеотропа получить можно различными путями, или воду удалить химически, или сдвинуть точку азеотропа понизив давление при перегонке, с помощью вакуумного насоса, или проведя так называемую азеотропную перегонку но это выходит за рамки этого повествования, получение абсолютированного спирта отдельная, специфическая тема никакому любителю принимать алкоголь вовнутрь абсолютно не нужная.
В действительности считать что мы перегоняем смесь этиловый спирт-вода, это огромное упрощение, как сферический конь в вакууме. У нас сложнейшая смесь различных спиртов, в основном высших, у которых в молекуле атомов углерода больше чем у этилового спирта, в основном потому что у этилового спирта атомов углерода два, и соответсвенно меньше только у одного спирта, у метилового, который так-же образуется при брожении, особенно его много при брожении фруктовых браг, но много в относительном смысле, получить даже в фруктовой браге опасное его количество это ещё постараться надо.
Кроме спиртов присутствуют альдегиды, эфиры и куча прочих веществ каждое из которых имеет свой вкус и запах. Некоторые являются полезными примесями, некоторые вредными, одни дают вонь, другие аромат, и чтобы вы поняли как всё неоднозначно, некоторые вещества в большом количестве весьма вонючи, а в малых обладают приятным ароматом.
Как очень яркий пример такое вещество как скатол, можете в Википедии посмотреть, но вот пару цитат оттуда:
«В больших концентрациях имеет фекальный запах (при низких концентрациях приобретает сливочно-молочный запах или запах, напоминающий запах жасмина).»
«Используется как ароматизатор в парфюмерии, пищевой промышленности и как ароматизатор при производстве табачных изделий.»
Конец цитат.
То есть принцип «кашу маслом не испортишь» тут совершенно не работает.
Для нас важно, что одни из этих веществ перегоняются раньше чем спирт, а другие хуже. Соответсвенное те что лучше выйдут раньше спирта при перегонке, в головах, те что хуже позже в хвостах.
Но и тут не всё так просто. Ведь он тоже образуют между собой азеотропные смеси, наличие одного компонента влияет на перегоняемость другого. Например, какое-то вещество может при концентрации спирта в кубе 20%об быть хвостовой примесью, а при 40%об стать головной. А где-то в промежутке соответственно перегоняться совместно. Перегонка с отбором хвостов и голов хорошего ароматического сырья это скорее искусство, тут важно не выбросить с головами-хвостами аромат.
Поэтому кстати полученный после первой перегонки дистиллят, который может иметь крепость и 50%об, перед второй дистилляцией разбавляют до 20-25%об, экспериментально выведено что именно при такой исходной концентрации, не больше, лучше всего отделять примеси от спирта.
И поэтому чтобы было меньше проблем при перегонке надо начинать их решать ещё раньше, когда ставите брагу, давая дрожжам всё необходимое в достаточном количестве, затем при первой дистилляции, делая её быстро, чтоб реакции Майара вам не насинтезировали непредсказуемой ароматики.