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 ее 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:

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

o 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 моделе колонны RectCol8.

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 (на 1000 Вт мощности нагрева). 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.

Поиграемя 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 экспериментально, поскольку кроме возвратной флегмы есть еще и «дикая», т.е. флегма образующаяся внутри колонны из-за конденсации на стенках при плохой теплоизоляции колонны. «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.