Влияние задержки на эффективность колонны
Этому вопросу посвящено много книг и тем на алкогольных форумах.
Это очень непростой вопрос. С одной стороны с увеличением задержки жидкости на тарелке увеличивается количество материала, обогощающего пар летучими компонентами. С другой — в колонне увеличивается буфер, аккумулирующий примеси. В литературе часто встречается термин «точность (или чёткость) разделения», ( например Розенгарт М. И. «Техника лабораторной перегонки и ректификации», но не только у него) но нигде нет его математического определения.
У Розенгарта есть иллюстрация, поясняющая термин:
Цитата: «Жирной линией 1 показана кривая точной разгонки.»
Это зависимость температуры пара от количества отобранного дистиллята.
Наглядно и понятно, но, к сожалению, так не бывает.
Даже на идеальной и сверхэффективной колонне концентрации компонентов (и температура пара) не изменяются скачкообразно. Просто потому, что в колонне есть ненулевая задержка жидкости и на верхней тарелке, питаемой паром с нижних, не может вдруг и сразу закончиться один компонет и появиться чистый другой. Линия 1 есть художественное преувеличение, желаемый, но недостижимый результат.
Концентрации компонентов на выходе из колонны (и температура) пара меняется плавно, но неравномерно — скорость изменения этих параметров может сильно меняться.
Температура паров не самый информативный критерий.
Но уж если такой авторитет как Розенгарт выбрал температуру паров критерием качества процесса — исследуем в этой статье и изменение температуры в процессе.
«Само по себе (т. е. вне зависимости от типа насадки) увеличение задержки, как показывает теоретический расчет, при прочих равных условиях уменьшает точность разделения смеси.»
(Розенгарт М. И. «Техника лабораторной перегонки и ректификации», Госхимиздат, 1951, с.32)
Но в 50-х годах прошлого века под теоретическим расчётом понимался мысленный эксперимент. И Розенгарт объясняет своё утверждение так же: «После того как насадка полностью покрывается стекающей флегмой, дальнейшее усиление орошения, в большинстве случаев из-за увеличения задержки, уменьшает эффективность колонки»
Это не теоретическое обоснование. а техническое. В то время, когда Розенгарт писал книгу не было численных методов расчёта процесса ректификации (и калькуляторов не было), процесс считали по фазовой диаграме пар — жидкость и только для бинарных систем.
Но в фазовой диаграмме отсутствует само понятие задержки жидкости, процесс, построенный на её основе предполагает бесконечно малую такую задержку.
Современные вычислительные возможности несравнимы с возможностями того времени, попробуем соединить наши знания (полученные, конечно, с помощью предшественников) с нашими современными возможностями.
И вывод Розенгарта проверим численным расчётом.
Математическая модель процесса ректификации несложна. Этой модели и программе на её основе посвящена отдельная статья.
На этой странице мы исследуем результаты расчёта этой программы.
Модель требует задания всех параметров процесса, в том числе и задержки на тарелке, изучаем её влияние на результат.
Во всех расчётах задана одинаковая загрузка установки (подчёркиваем: не куба, а установки в целом — куба и жидкости на всех тарелках).
Состав смеси не важен, он может быть любым — мы исследуем принцип.
Рассмотрим к примеру такую близкую к идеальной смесь алканов.
Компонент | Мольная доля |
---|---|
2-Метилпентан | 0.05 |
3-Метилпентан | 0.25 |
Гексан | 0.3 |
2,2-Диметилпентан | 0.3 |
Метилциклопентан | 0.1 |
Считаем периодическую ректификацию этой смеси на колонне, имеющей 25 тарелок. Для лабораторной колонки это можно считать верхним пределом, учитывая её геометрический размер.
Исходное количество раствора в кубе должно быть много больше суммарной задержки жидкости в колонне.
Зададимся следующими значениями задержки на тарелке: 0.5 Моля и 5.0 Молей, флегмовое число 20. Два совмещённых графика
По абсциссе — концентрации компонентов, по ординате — % отбора дистиллята.
Предварительно считаем концентрации компонентов в колонне при работе «на себя», т.е. с бесконечным флегмовым числом.
В этом режиме на тарелках концентрируются самые летучие компоненты.
Начальные концентрации компонентов — те, которые стабильно установились в колонне в этом режиме.
Каждой точке абсциссы соответствуют концентрации компонентов в паре на выходе из колонны.
Серый график — температура пара.
Значимое различие только одно — в самом начале отбора. На общий результат это различие не сильно влияет, но запомним, мы к этому ещё вернёмся.
Изменение температуры в процессе очень плавное, не только без скачков, но и без выраженных ускорений (как кривые 2 и 3 на иллюстрации Розенгарта).
Ещё один расчёт с теми же параметрами, но флегмовое число 50
Различие проявляется сильнее, но, в целом, оно малозначимо.
Изменение температуры в начале отбора стало более резким, в области отбора 60 — 65% дистиллята то же стало резче, но совсем не так сильно. При этом скорости изменения концентраций компонентов в этих областях практически одиниковы.
Возможно, различие результата для колонн с разной задержкой зависит от числа тарелок — проверим это.
Увеличим число тарелок вдвое (до 50), Результат:
Флегмовое число 20
Флегмовое число 50
Здесь разница концентраций компонентов в паре на выходе из колонны заметно больше.
Это предсказуемо — влияние задержки жидкости на тарелке тем сильнее проявляется, чем больше тарелок.
Конечно, расчёты предполагают идеальный массообмен и соответствие ступени разделения теоретической тарелке. На практике так не бывает, но для исследуемой проблемы это и не нужно — мы изучаем не личное мнение автора (в данном случае — Розенгарта, это признанный авторитет в области ректификации), а общие закономерности, выраженные в математических формулах. В реальном процессе результат будет много хуже — факторов, влияющих на процесс ректификации много и любое их отклонение от идеальности ухудшает результат.
Но общие закономерности всгда сохраняются.
Выводы
- Значимое влияние задержки проявляется только на высокоэффективных колоннах при очень больших (и редко используемых) флегмовых числах.
- Вывод Розенгарта ошибочен, по крайней мере, с точки зрения математики. Увеличение задержки увеличивает разделительную способность колонны. Незначительно и только на больших флегмовых числах — но увеличивает, а не уменьшает.
- Наибольшее влияние задержка жидкости на тарелке оказывает в самом начале процесса, если начало отбора дистиллята производится после режима работы колонны «на себя» — в этом режиме на тарелках в колонне концентрируются летучие примеси, чем больше задержка — тем больше примесей уйдёт в начале отбора из колонны.
Последний вывод представляет практический интерес: на всех графиках видно, что уменьшение бесконечного ФЧ до 20 (или даже до 50) резко уменьшает концентрацию летучих примесей в паре. Но если сделать верхнюю тарелку двойной — при бесконечном флегмовом числе она имеет задержку многократно больше, (и тогда все летучие примеси концентрируются в ней), а при конечном ФЧ — задержка как на всех тарелках, что позволит концентрировать и извлекать примеси гораздо полнее. Это возможно, описанию такой конструкции посвящена отдельная статья.
Добавить комментарий