Как работает колонна. Автор Rudy

[Rudy]

Вот, набросал, ругайтесь. Немного добавил.

 

Как работает тарелка колонны

Основные понятия

Под тарелкой подразумевается как реальная тарелка в тарельчатой колонне, так и часть насадочной или пленочной колонны, соответствующая тарелке. Во всех трех случаях происходят совершенно идентичные процессы. В последних двух случаях они размазаны по высоте но это не меняет их сути.

Здесь и далее под температурой тарелки подразумевается температура жидкости в тарелке (в насадке, на поверхности трубки пленочной колонны).

Здесь и далее одновременно идущие процессы испарения, конденсации, поступления и стекания флегмы сознательно разбиваются на последовательные для упрощения.

ФЧ – флегмовое число – доля конденсата из дефлегматора, которая возвращается в колонну (возвратная флегма). Например ФЧ=5 означает, что 5/6 конденсата возвращается в колонну, и лишь 1/6 конденсата идет в отбор. ФЧ равное бесконечности означает, что колонна работает на себя, т.е. отбора нет, и весь конденсат возвращается в колонну. Для нормальной (оптимальной) работы колонны ФЧ должно превышать некоторое значение, определяемое крепостью в баке, степенью укрепления  и конструкцией (числом тарелок и т.п.) колонны.

 

Работа тарелки

Пусть в баке брага с массовой крепостью 6.378%мас (7.99%об).

Температура кипения такой браги - 93.85*С. Она дает пар с крепостью 50%мас (см. кривую равновесия жидкость-пар) и той же температурой. Пусть этот пар поступает снизу на тарелку .

Если температура тарелки будет ниже температуры пара, то пар начнет конденсироваться образуя флегму с концентрацией  50%мас).

Температура кипения сконденсированной флегмы с крепостью 50%мас равна 81.9*С.

Для того, чтобы тарелка работала, т.е. испаряла сконденсированную флегму, нужно чтобы ее температура находилась в диапазоне  от  немного более чем 81.9*С (чтобы флегма кипела) до немного менее чем 93.85*С (чтобы пар конденсировался).

Следует отметить, что при конденсации выделяется энергия, которая нагревает тарелку. На испарение накопленной флегмы энергия затрачивается. Но эти энергии не сбалансированы – поскольку испаряемая флегма имеет более высокую крепость (в данном случае 83%), то энергия, выделяемая при конденсации, больше энергии затраченной на испарение (немного грубо, но в целом это так). И этой разностью энергий тарелка будет нагреваться. И если тарелку не охлаждать – ее температура быстро возрастет до температуры пара (93.85*С), конденсация прекратится, флегма из нее выкипит и тарелка перестанет работать.

 

Уточнение: На самом деле вся флегма конечно не выкипит, это условный термин. Выкипит лишь лишний спирт, т.е. крепость флегмы в тарелке снизится до крепости в баке, температура тарелки станет равной температуре пара и крепость пара из нее станет равной крепости поступающего снизу пара. И работать (тоже условный термин, подразумевается - работать на укрепление)  она перестанет.

 

Это лишь первое приближение, мы считаем, что крепость в тарелке равна крепости сконденсированного пара и не учитываем снижение крепости в тарелке при испарении конденсата. Мы также не учитываем слив части флегмы с тарелки вниз и поступление флегмы с вышележащей тарелки. Но и этого приближения вполне достаточно для понимания. Более точное описание работы тарелки в колонне с возвратом флегмы будет дано далее.

 

Отсюда вывод – чтобы тарелка работала на укрепление – ее нужно охлаждать.

 

Как охлаждать тарелку:

Охлаждение возвратной флегмой

Стандартный (и самый оптимальный) способ охлаждения – сливать часть флегмы с вышележащей тарелки. Крепость флегмы в вышележащей тарелке выше, соответственно ее температура кипения ниже и флегма в ней холоднее. Поэтому стекающая с нее флегма будет охлаждать нашу тарелку. Этот способ охлаждения самый правильный, он обеспечивает автоматическую установку оптимального распределения температур тарелок в колонне (см. далее). Доля стекающей сверху флегмы и, соответственно, охлаждение тарелки определяется ФЧ, т.е. долей флегмы из дефлегматора, которая возвращается в колонну. Этот способ применим ко всем типам колонн – тарельчатой, насадочной и пленочной (трубчатой).

 

Непосредственное охлаждение

В тарельчатых и насадочных колоннах непосредственное охлаждение тарелок практически неприменимо. Непосредственное охлаждение может использоваться в пленочных (трубчатых) колоннах, в частности в ММЦ. В них пар из куба проходит внутри трубки, а сама трубка охлаждается снаружи. Наружное охлаждение трубок, как правило, производится одним из следующих способов:

•   жидкостью, которая находится в межтрубном пространстве (упрощенный ЛИНАС). Эта жидкость ессно и сама должна охлаждаться. Охлаждение может проводится следующими способами:

 ¤­  Постоянным притоком холодной жидкости снаружи или циркуляцией этой жидкости через наружный холодильник. В этом случае температуру жидкости можно регулировать.

 ¤  Кипением охлаждающей жидкости с последующей наружной конденсацией пара и возвратом конденсата. Обычно такое охлаждение производится спиртосодержащей жидкостью (ССЖ) с заданной (путем выбора крепости) температурой кипения. В этом случае температура охлаждающей жидкости жестко задана ее крепостью.

   Основным недостатком этого способа является то, что температура стенок трубки поддерживается одинаковой по всей высоте трубки. А это не позволяет колонне работать в оптимальном режиме - у каждой тарелки (на каждом интервале трубки соответствующему тарелке)  должна быть своя рабочая температура, зависящая от крепости пара снизу.

   Следует отметить, что в ММЦ работает только та часть трубок, которая омывается охлаждающей жидкостью. Не омываемая жидкостью часть трубок просто не работает.

 •   жидкостью, которая стекает по наружной поверхности трубок. Этот способ наиболее правилен. Если охлаждающей жидкостью служит возвратная флегма, то колонна начинает работать в классическом оптимальном режиме. Основные проблемы использования этого способа охлаждения – обеспечение равномерного распределения флегмы по трубкам и равномерного ее стекания по всей наружной поверхности трубок.

 

Распределение температур тарелок колонны

Распределение температур в колонне из 10 тарелок показано на рисунке.  Крепость в баке 6.37%мас (7.98%об), ФЧ=5. Расчет в модели колонны RectCol8.

 

 

Отсчет номеров тарелок идет от бака, т.е. первая (0) тарелка – нижняя в колонне.

Первые 3 колонки – параметры флегмы в тарелке: заполнение тарелки (в %), массовая концентрация флегмы в тарелке (массовая доля) и температура тарелки (°С).

Следующие 3 колонки – параметры пара уходящего вверх на следующую тарелку: масса (условные единицы, из бака поступает 1 единица массы пара в единицу времени), концентрация (массовая доля спирта) и температура.

Последние 3 колонки – параметры флегмы, стекающей сверху на тарелку: масса (условные единицы), концентрация (массовая доля спирта) и температура.

Параметры поступающего снизу пара не выводятся – они равны параметрам пара, поступающего вверх с предыдущей тарелки. Параметры пара из бака на первую (0) тарелку приведены в нижней части.

Параметры стекающей вниз флегмы не выводятся – они равны параметрам флегмы, стекающей сверху для следующей тарелки. Параметры стекающей в бак флегмы приведены в нижней части.

В нижней части также приведены процент спирта в дистилляте (массовый и объемный), выход дистиллята (мл в час на 1000 Вт мощности нагрева) и некоторые другие параметры

Немножко головоломно, но быстро привыкаешь – эта модель не предназначена для сторонних пользователей.

 

Распределение температур тарелок в ней хорошо видно. Такое распределение обеспечивает оптимальную работу колонны. Любые попытки нагреть или охладить тарелки приводят к снижению крепости на выходе (проверено расчетами). Не говоря уже о том, что будет если поддерживать одинаковую температуру на всех тарелках, как это пытаются сделать в упрощенном ЛИНАСе.

 

Заметьте, температура и концентрация в первой тарелке отличаются от приведенных в начале. Это связано с учетом снижения концентрации при испарении флегмы, поступлением флегмы с 2 тарелки и стеканием флегмы в бак. Плюс небольшая погрешность, связанная с упрощенными методами расчета параметров в модели.

 

Немного о возвратной флегме (ФЧ)

Однако жалко сливать с таким трудом полученный дистиллят обратно в колонну. Попробуем снизить ФЧ чтобы увеличить выход дистиллята. Та же колонна, в тех же условиях, но ФЧ=1.

 

 

Увы, не получилось. ФЧ стало недостаточным, нижним тарелкам не хватило охлаждения, и 5 нижних тарелок (0..4) перестали работать, а 6 (5) еле дышит. Крепость на выходе снизилась с 92.8%мас (ФЧ=5) до 64.5%мас (ФЧ=1), зато выход дистиллята вырос с 790 до 1532 мл/час/кВт. Ну, кому что нужно…

А теперь посмотрим, какое нужно ФЧ для пониженной крепости в баке. Та же колонна, ФЧ=5, но крепость в баке снизилась с 6.37%мас до 3.5%мас.

 

 

При понижении крепости в баке до 3.5%мас, ФЧ=5 стало недостаточным для охлаждения нижних трех тарелок и они перестали работать.

 

Поиграемся и попытаемся определить минимально допустимое ФЧ для этой крепости. Увеличим ФЧ до 8 в тех же условиях.

 

Получилось. При увеличении ФЧ до 8 заработали все тарелки колонны при той же (3.5%мас) крепости в баке. Выход дистиллята соответственно снизился до 530 мл/час/кВт.

 

Отсюда видно, что при понижении крепости в баке, ФЧ нужно увеличивать. Для конкретной колонны зависимость минимально допустимого ФЧ от крепости в баке определяется однократно и далее используется. Желательно сделать это экспериментально, поскольку кроме возвратной флегмы есть еще и «дикая», т.е. флегма образующаяся внутри колонны из-за конденсации пара на ее стенках. «Дикая» флегма суммируется с возвратной повышая ФЧ. Объем «дикой» флегмы зависит от конструкции и теплоизоляции колонны.

 

 

 

Приложение

Не слишком точная, но удобная картинка зависимостей равновесия пар-жидкость и температуры кипения от массового процента спирта в жидкости.

 

 

Как работает тарелка колонны_Rudy.pdf

 

Изменено 15 марта, 2021 пользователем Gagarin
Вставил, по согласованию с автором, текст и картинки непосредственно в сообщение, для большей наглядности и удобства

[okun]

Цитата

Для того, чтобы тарелка работала, т.е. испаряла сконденсированную флегму, нужно чтобы ее температура находилась в диапазоне от немного более чем 81.9*С (чтобы флегма кипела) до немного менее чем 93.85*С (чтобы пар конденсировался).

По ВоБлину флегма в колонне не кипит. Кипит-не кипит

13 часов назад, Rudy сказал:

ругайтесь.

 

[dim65]

@Rudy третья страница

табличка ФЧ=5

пар из бака и флегма в бак отличаются по температуре более чем на 7 градусов.

сложно понять - флегма конечно холоднее пара всегда, но не настолько.

модель проверяли измерениями?

Изменено 15 марта, 2021 пользователем dim65

[Rudy]

Многократно.

 

Понять действительно сложно. Чтобы разобраться я и сделал чисто физическую модель. И долго игрался с ней, прежде чем пришло понимание.

Изменено 15 марта, 2021 пользователем Rudy

[moroz-85]

@Rudy А какой температуры должна быть флегма, которая только что спустилась из дефлегматора на самую верхнюю тарелку?

[Rudy]

Переохлаждение флегмы, возвращаемой из дефлегматора на верхнюю тарелку - один из параметров расчета.

 

В данном случае дополнительное охлаждение флегмы равно нулю. Т.е. флегма из дефлегматора возвращается с температурой, равной температуре поступающего в дефлегматор пара (конденсация без охлаждения). Это видно в последней колонке.

Изменено 15 марта, 2021 пользователем Rudy

[moroz-85]

10 минут назад, Rudy сказал:

Переохлаждение флегмы

Этот параметр может быть и на 10, и на 20 и на 40*С отличаться. А правильный какой? И как это повлияет на работу всей колонны?

P.S. Прикрепи, пожалуйста, калькулятор к первому посту, чтобы пощупать его.

[Rudy]

Это зависит от конструкции твоего дефлегматора. Например в моем - флегма сливается сразу после конденсации и ее температура практически равна температуре пара. В других конструкциях флегма долго болтается в дефлегматоре перед возвратом и там может быть ее сильное охлаждение, вплоть до возврата после дополнительного охладителя. Можешь измерить сам.

 

Хи-хи, фиг ты там что-то поймешь. Эта программа написана для себя, чтобы разобраться в работе колонны. Там куча разных параметров, никаких описаний + она правится в процессе работы. Т.е. выложить могу без проблем, но меня же потом затрахают вопросами. Пожалей меня пожалуйста, не доводи до этого.

 

[firt]

@Rudy я все понимаю, но на мой взгляд, охлаждение тарелки стекающей флегмой это бред.

Движущей силой в ректификации является все таки разность концентраций веществ между газообразной и жидкой фазами. Необходимым условием для процесса, является встречное движение потоков. 

А то что температура в каждой точке колонны, устанавливается взависимости от концентрации компонентов, которая обусловлена балансом между смещением фаз, с одной стороны и стремлением их к равновесию в результате тмо с другой. Это следствие протекающих процессов, а не как не движущая сила.

Со всем уважением.

[POLE]

46 минут назад, firt сказал:

Движущей силой в ректификации является все таки разность концентраций веществ между газообразной и жидкой фазами.

следует добавить - в единицу времени при постоянной подводимой энергии.

[Mr. N]

16.03.2021 в 00:18, Rudy сказал:

затрахают вопросами

Ещеии уточнениями и поучениями..😏

[firt]

7 часов назад, POLE сказал:

следует добавить - в единицу времени при постоянной подводимой энергии.

Совсем не обязательный, и тем более не основополагающий фактор.

[POLE]

4 часа назад, firt сказал:

Совсем не обязательный, и тем более не основополагающий фактор.

Не стоит забывать что без подводимой энергии для фазового перехода не будет градиента температур, концентраций и самой массопередачи

[firt]

@POLE градиент как раз и обусловлен физическим свойством смеси, когда пар имеет большую концентрацию более летучего компонента чем жидкость. Это и есть градиент, благодаря которому идёт процесс.

Фазовый переход, как раз осуществляется в кубе и в дефлегматоре, то есть вне колонны, и создаёт условия для работы колонны.

Представь что температура окружающей среды 120*С , и у тебя есть ёмкость со спиртоводяной смесью. При такой температуре, смесь находится в газообразном состоянии, для работы колонны, придется подавать пар в колонну снизу а сверху искусственно морозить дефлегматор.

Не будем же, в этом случае говорить что процесс идёт с постоянным отъемом теплоты!?

И процес тмо не останавливается при достижении равновесия, он идёт постоянно, об этом уже сто раз говорили.

15.03.2021 в 01:24, Rudy сказал:

Если температура тарелки будет ниже температуры пара, то пар начнет конденсироваться образуя флегму с концентрацией  50%мас)

Это кстати тоже не верно, в колонне нет полной конденсации, там порциальная конденсация на границе пар флегма, крепость будет ближе к 6,378%мас.

[POLE]

@firt не стоит мне приводить примеры из учебников, которые изучил лет 35 назад.

1 час назад, firt сказал:

Представь что температура окружающей среды 120*С , и у тебя есть ёмкость со спиртоводяной смесью. При такой температуре, смесь находится в газообразном состоянии, для работы колонны, придется подавать пар в колонну снизу а сверху искусственно морозить дефлегматор.

Зачем обсуждать нереальный для наших условий пример? Всем понятно, что пар снизу, а сверху флегма.

Согласен, что движущей силой массопередачи веществ (не путать с ТМО) в фазовых переходах из Ж в Г и обратно будет разница их концентраций, а не температур, но при условии

14 часов назад, POLE сказал:

в единицу времени при постоянной подводимой энергии.

Разница температур при этом постоянна.

Многие на форуме не видят разницу между ТМО и массопередачей.

[firt]

@POLE я не понимаю тогда куда и о какой подводимой энергии идёт речь?

31 минуту назад, POLE сказал:

Зачем обсуждать нереальный для наших условий пример?

Не только спирт же ректифицируют.

[Rudy]

19 часов назад, firt сказал:

 я все понимаю, но на мой взгляд, охлаждение тарелки стекающей флегмой это бред.

Движущей силой в ректификации является все таки разность концентраций веществ между газообразной и жидкой фазами. Необходимым условием для процесса, является встречное движение потоков.

Попробуй сделать колонну без охлаждения дефлегматора. Разность концентраций  никуда не денется, а вот дистиллят на выходе и, соответственно, обратный поток, исчезнут.

Именно конденсация, обязательно требующая охлаждения, является ключевым фактором.

[firt]

Если в двигателе выкрутить свечи, машина тоже не поедет, но это не значит что искра крутит коленвал.

Я же не говорю что все неверно, просто написано некорректно, и приведет к заблуждениям.

43 минуты назад, Rudy сказал:

Именно конденсация, обязательно требующая охлаждения, является ключевым фактором

А почему не нагрев в кубе является ключевым моментом? Вон @POLE считает что необходим подвод энергии, ты говоришь что отвод энергии. 

Книжки читаешь, там тоже писателей хватает.

[dim65]

6 часов назад, Rudy сказал:

является ключевым фактором.

 

Не срача ради а для полноты картины многообразия скажу:

 

«ускорение силы тяжести является ключевым фактором».

Флегма течёт вниз не просто так, расходуя потенциальную энергию кстати. Положить колонну на бок не получится.

может факторов несколько?

[Виктрыч]

Испарение с соблюдением Крект и конденсация в другой координате. Цикл закончен. Можно неоднократно повторить с нюансами. 

 

[dim65]

1 час назад, Виктрыч сказал:

конденсация в другой координате

За счёт чего? Подведённой воды?

[Виктрыч]

За счёт охлаждения. Неважно чем.

[Rudy]

Я как-то давно пытался сэкономить возвратную флегму используя внешнее охлаждение тарелок. Считал в модели.

 

И все прекрасно получилось, при нулевом ФЧ получил практически ту же крепость, что и при ФЧ=5 в стандартном режиме, но с соответствующим ростом производительности. Небольшие отличия были связаны с отсутствием возвратного потока флегмы и изменением крепости в тарелках.

 

Беда только одна - постоянного и точно дозированного охлаждения не получается. Любое небольшое изменение крепости или мощности в баке приводит к разносу системы. Не помогает даже автоматическое поддержание заданной температуры в тарелках (вместо дозированного охлаждения), при естественном изменении крепости в баке распределение температур тарелок должно соответственно изменяться. Т.е. необходимо непрерывно контролировать крепость (температуру) в баке, и рассчитывать (и поддерживать) нужные оптимальные температуры тарелок.

 

Задачка, в принципе, решаемая, но затраты на ее решение слишком велики. А наличие возвратной флегмы автоматически устанавливает оптимальное распределение температур тарелок без всяких выкрутасов.

Изменено 7 апреля, 2021 пользователем Rudy

[firt]

38 минут назад, Rudy сказал:

при нулевом ФЧ получил практически ту же крепость, что и при ФЧ=5

Скажи цыфры и параметры колонны и как отводил тепло?

[Rudy]

Это не реальная колонна, а ее физическая модель.

 

Сделать реальную колонну с персональной термостабилизацией каждой тарелки - если кому хочется, может заняться самостоятельно.