Rudy Опубликовано 14 марта, 2021 Опубликовано 14 марта, 2021 (изменено) 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 1 14
okun Опубликовано 15 марта, 2021 Опубликовано 15 марта, 2021 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. 1
dim65 Опубликовано 15 марта, 2021 Опубликовано 15 марта, 2021 (изменено) @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 Опубликовано 15 марта, 2021 Автор Опубликовано 15 марта, 2021 (изменено) 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 Опубликовано 15 марта, 2021 Опубликовано 15 марта, 2021 @Rudy А какой температуры должна быть флегма, которая только что спустилась из дефлегматора на самую верхнюю тарелку?
Rudy Опубликовано 15 марта, 2021 Автор Опубликовано 15 марта, 2021 (изменено) 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 Опубликовано 15 марта, 2021 Опубликовано 15 марта, 2021 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 Опубликовано 15 марта, 2021 Автор Опубликовано 15 марта, 2021 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. 2 1
firt Опубликовано 5 апреля, 2021 Опубликовано 5 апреля, 2021 @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 Опубликовано 5 апреля, 2021 Опубликовано 5 апреля, 2021 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 Опубликовано 5 апреля, 2021 Опубликовано 5 апреля, 2021 16.03.2021 в 00:18, Rudy сказал: затрахают вопросами Ещеии уточнениями и поучениями..😏
firt Опубликовано 6 апреля, 2021 Опубликовано 6 апреля, 2021 7 часов назад, POLE сказал: следует добавить - в единицу времени при постоянной подводимой энергии. Совсем не обязательный, и тем более не основополагающий фактор.
POLE Опубликовано 6 апреля, 2021 Опубликовано 6 апреля, 2021 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 Опубликовано 6 апреля, 2021 Опубликовано 6 апреля, 2021 @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 Опубликовано 6 апреля, 2021 Опубликовано 6 апреля, 2021 @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 Опубликовано 6 апреля, 2021 Опубликовано 6 апреля, 2021 @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 Опубликовано 6 апреля, 2021 Автор Опубликовано 6 апреля, 2021 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 Опубликовано 6 апреля, 2021 Опубликовано 6 апреля, 2021 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. 1
dim65 Опубликовано 6 апреля, 2021 Опубликовано 6 апреля, 2021 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 Опубликовано 7 апреля, 2021 Опубликовано 7 апреля, 2021 Испарение с соблюдением Крект и конденсация в другой координате. Цикл закончен. Можно неоднократно повторить с нюансами. Дорога к обеду ложка, К ночи дорог унитаз.
dim65 Опубликовано 7 апреля, 2021 Опубликовано 7 апреля, 2021 1 час назад, Виктрыч сказал: конденсация в другой координате За счёт чего? Подведённой воды?
Виктрыч Опубликовано 7 апреля, 2021 Опубликовано 7 апреля, 2021 За счёт охлаждения. Неважно чем. Дорога к обеду ложка, К ночи дорог унитаз.
Rudy Опубликовано 7 апреля, 2021 Автор Опубликовано 7 апреля, 2021 (изменено) 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 Опубликовано 7 апреля, 2021 Опубликовано 7 апреля, 2021 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 Опубликовано 8 апреля, 2021 Автор Опубликовано 8 апреля, 2021 Это не реальная колонна, а ее физическая модель. Сделать реальную колонну с персональной термостабилизацией каждой тарелки - если кому хочется, может заняться самостоятельно.
Рекомендуемые сообщения
Для публикации сообщений создайте учётную запись или авторизуйтесь
Вы должны быть пользователем, чтобы оставить комментарий
Создать аккаунт
Зарегистрируйте новый аккаунт в нашем сообществе. Это очень просто!
Регистрация нового пользователяВойти
Уже есть аккаунт? Войти в систему.
Войти