В ранних публикациях мы рассказали о положении фракций в колонне, а также дали представление о азеотропной точке. Сегодня мы продолжим говорить о ректификации.
План
- Процесс работы колонны
- Теоретические и физические тарелки
- Как посчитать высоту колонны
Процесс работы колонны
Работая с колонной, мы всегда имеем дело с отдельными примесями. Об их очередности в порядке испарения мы писали еще в первой части. Может показаться что достаточно открыть кран, и мы получим ту фракцию, которая расположена в районе узла отбора. Отчасти это так, однако имеются особенности, которые следует учитывать. Для большей наглядности рассмотрим процесс с указанием соответствующих таймингов.
По оси X у нас расположено время работы колонны. По оси Y указывается температура. Если отталкиваться от упрощенной схемы, согласно которой в колонне вода, этиловый спирт и ацетон становится очевидным тот факт, что очередность фракций будет следующей: в верхней части колонны разместятся легкокипящие фракции. В нашем случае это ацетон. Следом за ним будет расположен этиловый спирт. У него температура кипения выше, что, собственно, и определяет его промежуточное положение. Наконец в нижней части будут расположены низкокипящие смеси. Для простоты в нашем примере это вода. Напомним она испаряется при температуре 100 градусов что существенно больше, чем у этилового спирта.
Теперь представим, что мы открыли узел отбора в верхней части колонны. Первое что мы получим это ацетон. Он будет выходить ровно до момента пока за ним не последует следующая фракция (в нашем случае этиловый спирт). Может показаться что этот переход является резким, однако это не так. Пограничный участок хорошо показан на графике и имеет изогнутую кривую. Она говорит нам о том, что есть и некая промежуточная фракция. Ее особенность заключается в смешанном составе. Если брать за пример тот, что мы рассмотрели выше в составе такой смеси, будет присутствовать как этиловый спирт, так и ацетон. При этом ее структура будет меняться с течением времени. Скажем вначале такого перехода в структуре фракции будет преобладать ацетон. К концу же перехода основным компонентом фракции будет этиловый спирт.
Показателем, на который следует ориентироваться при отборе выступает температура. Зная температуру испарения отдельных фракций, можно с уверенностью говорить о том, какая именно из фракций в настоящий момент попадает в отбор.
Что нам, собственно, дает график размещенный выше? Он показывает, что в чистом виде примесей не существует! Они находятся в постоянном переходе из одной в другую. Именно эта особенность затрудняет разделение исходной смеси на отдельные компоненты.
Если немного абстрагироваться от отдельных примесей и подняться на уровень выше (уровень голов, тела и хвостов) то, согласно графику, можно увидеть наличие еще по крайней мере 2х промежуточных фракций. Одну из них самогонщики именуют подголовниками, а вторую соответственно предхвостниками.
Теоретические и физические тарелки
В теории ректификации есть такое понятие как “теоретическая тарелка”. Многие неофиты в самогоноварении пытаются все измерять исключительно согласно оборудованию (то, что можно пощупать руками) отбрасывая то, что лежит в основе процесса. Термин теоретическая тарелка является условным, однако он крайне важен для понимания сути процесса.
В ранней публикации мы приводили график, в котором обозначили точку азеонтропы. Сегодня мы вновь взглянем на этот график, однако, несколько под другим углом.
Как можно заметить на графике имеется несколько ступенек. Каждая ступенька — это простейший цикл испарения (движение вправо) и конденсации (движение вверх). В ходе перегонки в колонне таких циклов великое множество. Количество циклов для отдельной фракции показывает, как быстро (за сколько циклов) она доходит до азеотропной точки. Каждый такой цикл принято считать теоретической тарелкой или единицей переноса.
Если говорить о физических тарелках мы как правило приходим к барботажным колоннам. Они довольно эффектно смотрятся. На каждой отдельной тарелке осуществляется процесс барботажа, где пар переходит в жидкость. Иными словами, эффективность такой колонны зависит от количества тарелок, на которых ведется барботаж. Если же говорить о ректификационных колоннах, в которых нет физических тарелок мы предполагаем, что в них размещается наполнитель вроде сетки Панченкова или СПН. Учитывая плотность, с которой набита такая колонна концентрация пара и флегмы на отдельном участке значительно выше, чем в случае с тарельчатой системой. Как следствие КПД ректификационной колонны с закрытой царгой несомненно выше.
Если сравнивать тарельчатую колонну с колонной, внутри которой расположен наполнитель нам нужен некая единая система координат. В данном случае используются именно теоретические тарелки. Здесь важно помнить, что КПД физической тарелки — это приблизительно 50-60% от теоретической.
Теперь встает вопрос о высоте теоретической тарелки в пределах колонны. Здесь все зависит от 2х показателей: от диаметра колонны и от типа наполнителя. Так в случае, если колонна имеет диаметр 3см а наполнителем выступает СПН высота теоретической тарелки будет равна 25-30мм. Если использовать РПН высота теоретической тарелки будет составлять от 60 до 120 мм. Высоту тарелки можно еще больше уменьшить. Для этого потребуется найти более мелкозернистую насадку.
Важно помнить, что чем более мелкой фракцией обладает насадка, тем меньшей производительностью будет обладать система в целом.
При наполнении колонны важно найти разумный баланс между размером теоретической тарелки и производительностью. Если сместить акцент на размеры тарелки (т. е. повысить качество разделения) в ущерб производительности можно столкнуться с явлением захлеба колонны. Захлеб колонны возникает в ситуациях, когда плотность наполнения столь велика, что давление пара в нижней части колонны становится существенно выше, чем скорость возврата флегмы из верхних частей колонны. При этом паровая точка постепенно смещается в верхнюю часть и в итоге приводит к захлебыванию. Критерием захлеба является выход флегмы через верхний штуцер.
Чтобы избежать такого сценария можно убавить нагрев, однако, это уменьшит производительность системы.
Как посчитать высоту колонны
Если вернуться к высоте теоретической тарелки, то она составляет 30 мм или 3 см. Таких тарелок в колонне должно быть как минимум 30. Следовательно высота должна быть около 90 см. Это мы берем колонну с диаметром 30 мм. Таких уже практически не встретить в продаже. Стало быть, использовать эти значения не стоит. Дабы посчитать высоту тарелки (и определить высоту колонны) можно воспользоваться простой формулой, согласно которой ВЫСОТА КОЛОННЫ / ДИАМЕТР = МИНИМАЛЬНЫЙ РАЗМЕР ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ТАРЕЛКИ. Зная этот коэффициент можно определить эффективность работы системы еще до ее покупки.
Очень наглядно о теоретических тарелках. Спасибо!