Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №4

4.9. Атмосферное давление и устойчивая работа колонны.

Работа колонны рассчитана на внутреннее давление в колонне 720…780 мм. рт. ст. А т. к. колонна обязательно имеет связь с атмосферой через верхний штуцер дефлегматора, то это давление является и оптимальным атмосферным давлением для ее работы. Разберёмся, как атмосферное давление может влиять на работу колонны и как управлять работой колонны в высокогорной местности.

Как было указано в примере предыдущего раздела (о захлебывании колонны) 1 кВт тепловой мощности испаряет 3,89 кг/час паров спирта. Этот массовый расход пара при нормальном давлении 760 мм. рт. ст. (плотность паров спирта — 1,6 кг/м³) соответствует вполне определенному объемному расходу — 2,43 м³/ч, который через полное сечение колонны (например, диаметр 30 мм) проходит со скоростью 0,96 м/с. Если атмосферное давление падает до 700 мм. рт. ст., то плотность паров спирта уменьшается до 1,47 кг/м³, объёмный расход пара возрастает до 2,64 м³/ч, и, соответственно, увеличивается его скорость в полном сечении колонны до 1,04 м/с. Если эта скорость является предельной, то произойдёт захлебывание колонны.

При увеличении атмосферного давления наоборот происходит уменьшение скорости спиртовых паров, что несколько снижает эффективность разделения колонны, но это легко компенсируется регулировкой флегмового числа (см. ниже).

При проектировании колонн закладываются определенные «запасы» в ее конструкцию для обеспечения устойчивой и оптимальной работы колонны с учетом точности изготовления контактных элементов, технологических ТЭНов (разбросов их мощности) возможного изменения атмосферного давления и прочее. Однако каждая ректификационная колонна обладает некоторой «индивидуальностью» и «норовом», которые Вам необходимо почувствовать и правильно использовать.

Если порог захлебывания по атмосферному давлению Вашего конкретного экземпляра колонны лежит существенно ниже минимально возможного давления в Вашей местности, Вы можете никогда не столкнуться с этой проблемой. Если такое будет изредка происходить, то можно рекомендовать Вам не проводить ректификацию в дни очень низкого атмосферного давления.

Если эксплуатация ректификационной колонны будет происходить только в высокогорной местности, то необходимо использовать ЛATP (лабораторный автотрансформатор регулируемый) или любой другой регулятор напряжения для управления темпом испарения кубовой жидкости.

4.10. Перепад давления в колонне и как его измерять.

При расчетном режиме работы колонны внутренние контактные элементы оказывают расчетное сопротивление движению паров спирта по колонне. Т. е. в нижней части колонны давление выше, чем в верхней ее части (дефлегматоре). А поскольку давление в дефлегматоре равно атмосферному, то обычно говорят о перепаде давления на колонне ДР.

Величину этого ДР (сопротивления) легко наблюдать по высоте столба жидкости в специальной манометрической трубочке, расположенной в нижней части колонны (см. рис. 6). Если колонна не работает, то жидкость в этой трубочке находится на нижнем уровне. Стоит вывести колонну на рабочий режим, давление внизу колонны возрастет, и столбик жидкости, уравновешивая перепад ДР, поднимется на определенную высоту Н, связанную с перепадом соотношением

?Р = рgН

(где: р — плотность жидкости, g = 9.81 м/с²).

При нормальной работе колонны столбик жидкости должен находится на определенной и постоянной высоте Н.

С помощью этого столбика очень удобно устанавливать расчетную мощность, подводимую к испарительной емкости, т. е. можно четко устанавливать оптимальную нагрузку на колонну по указанному в паспорте перепаду давления.

С помощью этого «измерительного прибора» можно легко определить момент захлебывания колонны. Столбик жидкости в манометрической трубочке в момент захлебывания колонны начинает быстро расти из-за накопления флегмы внутри колонны, которая мгновенно увеличивает сопротивление движению пара.

4.11. Флегмовое число и как правильно его установить.

На рис. 8 изображены основные массовые потоки в ректификационной колонне. Испаренный в кубе пар М_п = М проходит по ректификационной части колонны вверх, полностью конденсируется в дефлегматоре, и превращается в дистиллят М_д = М. Часть этого дистиллята Е отбирают, а другая его часть возвращается обратно в колонну и называется флегмой R. Еще говорят, что флегма отправляется обратно в колонну для орошения (смачивания) ее контактных элементов.

Стоит отметить, что М = R + E. Флегмовое число: V = R/E — это отношение количества флегмы R, возвращаемой в колонну, к количеству отбираемого дистиллята Е.

Если отбора спирта нет Е = 0, то весь дистиллят в виде флегмы R = M возвращается обратно в колонну. Тогда говорят, что колонна работает сама на себя, а флегмовое число колонны в таком состоянии равно бесконечности — V = оо. В таком состоянии колонна обладает максимальной разделительной способностью, и количество теоретических тарелок в ней возрастает.

Если полностью открыть отбор Е = М, то возврата флегмы в колонну не будет R = 0. Тогда флегмовое число равно нулю. В этом случае, из-за отсутствия флегмы в колонне ее контактные элементы полностью «иссушаются», тепломассообменные процессы прекращаются, и ректификационная колонна превращается в обычный "самогонный аппарат". Естественно это превращение является временным и обратимым — без физических нарушений в колонне.

Рис. 8. Основные массовые потоки в ректификационной колонне.

Для получения качественного спирта флегмовое число должно быть не менее V > 3. Это означает, что из 4-х частей дистиллята, образующегося в дефлегматоре, только 1 часть можно отобрать, а 3 части необходимо отправить обратно в колонну для орошения ее контактных элементов. Только в этом случае не произойдет нарушения тепломассообменных процессов в колонне.

Е_мах = ¹/₄М

Помните! что уменьшая отбор спирта, Вы улучшаете его качество.

Если флегмовое число настолько значимо для правильной работы колонны, то хотелось бы дать четкую и простую рекомендацию для его установки с помощью регулятора отбора.

ПРАВИЛО ОТБОРА:

Вариант 1 (основной):

С помощью секундомера и мерного цилиндра установите рекомендованный в паспорте отбор.

Вариант 2 (проверочный для любой фракции):

Отбор был выбран правильно, если через 2-З мин после его прекращения температура в колонне не уменьшилась.

4.12. Мощность, производительность, резервы и название установок.

На этапе ректификации к колонне должна подводиться только та технологическая мощность (W_T), на которую рассчитана установка. В этом случае колонна работает без захлебывания и обеспечивает максимальную эффективность разделения.