Влияние задержки на эффективность колонны

31.05.19

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

  1. Значимое влияние задержки проявляется только на высокоэффективных колоннах при очень больших (и редко используемых) флегмовых числах.
  2. 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.
  3. 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.

Комментарии
Комментариев пока нет.

Добавить комментарий

Связаться с нами