Как посчитать флегмовое число в колонне
Главные режимные параметры ректификационной колонны
Технологическая мощность
Для испарения спирта-сырца в наших установках используются ТЭНы. Увеличивая или уменьшая их электрическую мощность, мы, соответственно, увеличиваем или уменьшаем расход пара через колонну (меняем паровую нагрузку на насадку). Очевидно, существует некоторая максимальная предельная мощность, при превышении которой колонна «захлёбывается». У большинства насадок есть оптимальная паровая нагрузка (несколько меньше предельной), при которой насадка обладает максимальной эффективностью. Именно этой паровой нагрузке соответствует мощность, называемая технологической, при которой вся колонна обладает максимальной разделительной способностью.
Из-за переменности содержания спирта массовый расход пара M по высоте колонны переменен. Но в верхней части колонны, где находится наше «целевое» вещество, массовый расход пара практически постоянен и зависит (при отсутствии тепловых потерь) только от технологической мощности W [кВт]:
Флегмовое число (или производительность колонны).
Если отбора спирта нет ( Е = 0), то весь дистиллят в виде флегмы возвращается обратно в колонну ( R = М ). Флегмовое число колонны в этом случае равно бесконечности ( ƒ = ∞ ), а о колонне говорят, что она работает «сама на себя».
или производительность колонны
Флегмовое число не может быть выбрано любым по вашему желанию, оно зависит от высоты ректификационной части колонны.
Затраты энергии на один литр спирта и удельная производительность
Из двух зависимостей массового расхода [1] и [2] можно вывести формулу для расчета потребной технологической мощности W для ректификации спирта с заданной производительностью:
Удельные затраты электроэнергии на каждый литр спирта Q будут зависеть только от величины флегмового числа:
или, с учётом технологического запаса (
Величина тепловых потерь в кубе и колонне уменьшается при их теплоизолировании. Потери уменьшаются и с ростом производительности из-за уменьшения доли охлаждаемой поверхности по отношению к площади внутреннего сечения колонны.
Величина, обратная удельным затратам 1/Q [(л/ч)/кВт], будет удельной производительностью, означающей, сколько литров спирта в час «даст» 1 кВт мощности.
Обе эти величины с учетом тепловых потерь приведены в таблице:
Например, технологическая мощность для нашей колонны РУМ-2 составляет 2кВт (отсюда и название колонны), проектное (и подтверждённое многолетней практикой) флегмовое число ƒ = 3.
Тогда производительность колонны с учётом тепловых потерь должна быть не менее W·(1/Q) = 2 кВт·1,00(л/ч)/кВт = 2 л/ч, что и заявлено нами в её технических характеристиках.
ВЫВОД
Приобретя любую ректификационную колонну или сделав её самостоятельно, Вы вместе с ней преобретёте и главные режимные параметры, «зашитые» в её конструкцию. Вы уже не вольны менять их в широких пределах, потому что:
Роль флегмового числа в ректификации
В ходе изучения ректификации рано или поздно каждый самогонщик сталкивается с таким понятием как флегмовое число. Сегодня мы расскажем о нем более подробно.
Говорить про флегмовое число следует исключительно в контексте классической ректификации. Здесь важно понимать, что данный процесс возможен исключительно в самогонных аппаратах соответствующих типов. Речь в данном случае идет о спиртовых колоннах. Безусловно заниматься ректификацией можно и с бражными колоннами, однако в данном случае методика будет несколько иной.
Тепломассообмен в колонне
В ходе ректификации содержимое перегонного куба нагревается и постепенно переходит в паровую фазу. Пары проходят через полости самогонного аппарата и достигают теплообменника. Здесь они конденсируются, и мы получаем флегму. Флегма под силой тяжести начинает стекать в нижнюю часть колонны. В ходе работы колонны пары и флегма непрерывно взаимодействуют между собой насыщая друг друга. Данный процесс именуется тепломассообменом.
Для большей наглядности данный процесс можно наблюдать на схеме ниже.
Здесь паровая фаза представлена M. Будучи сконденсированной она преобразуется в флегму R. Часть ее можно отобрать что на схеме обозначено E. Важно понимать, что объем спиртов в флегме и пару одинаково. Такое равновесие можно обозначить следующим образом: M=R.
Учитывая, что часть флегмы может быть выведена наружу в виде отбора, мы получаем M=E+R.
Здесь важно подчеркнуть разницу между самогонными аппаратами. В случае если мы имеем дело с бражными колоннами, то их можно считать улучшенной версией дистиллятора. Что же касается спиртовых колонн то они имеют одно, но очень важное отличие. Заключается оно в том, что естественный выход продукта наружу у спиртовых колонн отсутствует как таковой. Иными словами, они представляют собой замкнутые системы, в то время как дистилляторы и бражные колонны изначально открыты.
Теперь становится понятно, что формула M=E+R работает исключительно в спиртовых колоннах. В самогонных аппаратах иных типов она не работает. Для того чтобы задействовать эти закономерности колонна должна поработать какое-то время «на себя» обеспечив достаточную концентрацию спиртовых соединений внутри. Вот здесь мы подходим к определению фермового числа.
Флегмовое число — это отношение объема флегмы r которая стремится в перегонный куб к количеству флегмы, которая уходит в отбор E. Формула в данном случае выглядит как V=R/E.
Если колонна работает на себя, то E=0, а вся флегма полностью возвращается в колонну. Если же полностью открыть отбор, то мы получаем E=M. В данном случае R=0 а флегмовое число падает до нуля.
В колонне отбор осуществляется при помощи узлов отбора. Отбирать можно как пар, так и жидкость. В любом случае действует правило, обозначенное выше.
Основной вопрос, который стоит перед самогонщиком заключается в объеме отбора. Для того чтобы продукт на выходе был качественным флегмовое число должно быть >3. Это говорит о том, что из 4 частей флегмы мы можем отобрать только 1. Оставшиеся 3 части должны продолжать циркулировать в колонне. Превышение этой величины может привести к нарушению тепломассообменных процессов в колонне. Emax=1/4M.
Как установить величину параметры отбора
Чтобы вычислить флегмовое число следует использовать мерный цилиндр и секундомер. Так же нужны параметры крепости дистиллята на выходе и мощности нагрева. Обладая этими данными, можно воспользоваться специальным калькулятором коих довольно много на просторах интернета.
Один из частых вопросов, с которым обращаются начинающие самогонщики можно сформулировать примерно так: «Да мы знаем, что есть некое флегмовое число и что с ним делать?». Чтобы ответить на него достаточно просто помнить, что эта величина крайне динамична и меняется каждый раз, когда мы открываем отбор. Так же следует помнить, что чем больше флегмовое число тем более концентрированным и чистым будет продукт на выходе.
Онлайн калькулятор флегмового числа
Расчет соотношения возврата флегмы
Онлайн калькуляторы
Калькулятор флегмового числа колонны
Теоретический расчет соотношения отбора и возврата флегмы ректификационной колонны.
Ver.1.0 last modified June 2016
Обратите внимание, что массовый расход пара по высоте колонны будет неравномерен, расчет производится с т.н. «спиртовой полки» колонны, где в верхней части колонны концентрируется максимальное количество этанола, а массовый расход более постоянный. Этот калькулятор не является идеальным инструментом для расчета флегмового числа, вычисления были занижены для более объективной коррекции на различные факторы (потери тепла, плотность спирта, атмосферное давление) Пример подобного расчета можно посмотреть Тут Теоретическая, упрощенная формула F = P/E96%, кг/с.
Калькулятор подходит для оценки колонны снабженной узлом возврата и работает относительно корректно только со стабильной ректификационной колонной, конструкция которой многократно испытана на практике. Ознакомиться с готовыми экземплярами участников проекта можно Тут
Рекомендуемые параметры колонн
Рекомендуемые максимальные параметры верны только дя колонн снабженных самой лучшей и популярной проволочной насадкой (мочалки-скрубберы, путанка и т.п..)
Данные параметры ориентированы на высоту насадки 1 метр, при средней пористости 70%, критическим поверхностным натяжением 0.075 Н/м, но не идеальны, так как сильно зависят от плотности упаковки насадки в царге, осуществляемой вручную и хаотично. При увеличении высоты насадки и уменьшении плотности насадки, возможна большая подводимая мощность без захлеба колонны.
Пошаговая инструкция работы на ректификационной и бражной колонне
Эта пошаговая инструкция – лишь один из методов перегонки на ректификационной (РК) или бражной (БК) колонне, освоив который можно получить продукт высокой очистки. Однако для фруктовых, ягодных и зерновых дистиллятов есть технологические нюансы, без знания которых вместо ароматного напитка будет чистый спирт. У каждого типа насадок свои особенности. Используйте предложенную методику как старт по изучению работы колонн, тренируясь на сахарной браге, или заведомо понимая, что в итоге получится спирт-ректификат или близкий к нему напиток.
Начальные условия
В наличии имеется спирт-сырец – перегнанная на обычном дистилляторе (самогонном аппарате) сахарная брага и правильно подготовленное оборудование – РК или БК. В данном случае методика работы на разных типах колонн почти идентична, а отличия описаны в подходящих местах инструкции.
Схема ректификации 
Пример ректификационной колонны в собранном виде с описание основных конструктивных элементов
Технология домашней ректификации на РК и дистилляции на БК
1. Заполнить куб спиртом-сырцом не более чем на 3/4 высоты, обязательно оставив минимум 10-12 см паровой зоны. Однако слишком мало заливать тоже нельзя, чтобы в конце процесса перегонки, когда жидкости в кубе почти не останется, ТЭНы не вынырнули (не оголились).
Крепость кубовой навалки должна быть около 40%. Эта величина связана с минимальным флегмовым числом, необходимым для достижения отбора заданной крепости. При повышении крепости кубовой навалки минимальное флегмовое число уменьшается нелинейно, достигая минимума при крепости около 45%. Поэтому если начать процесс с крепости 60%, то придется уменьшать флегмовое число вплоть до 45% крепости, а потом увеличивать его по мере дальнейшего истощения кубового остатка по спирту. То есть вначале увеличивать отбор с 60 до 45% кубовой крепости, а потом его снижать. В результате ректификация не только будет сложнее в управлении, но и займет больше времени.
2 Включить ТЭН на максимальную мощность и довести спирт-сырец до кипения. Оптимальная мощность ТЭНа для разгона – 1 кВт на 10 литров навалки, тогда время до закипания – 15 минут на каждые 10 литров навалки.
3. Незадолго до начала кипения, при температуре 75-80 °C в кубе, включить подачу воды. После начала кипения уменьшить нагрев до рабочей мощности. Если рабочая мощность пока неизвестна – снижать до уровня ниже номинальной мощности на 200-300 Вт. Отрегулировать подачу воды так, чтобы пар полностью конденсировался в дефлегматоре. Вода на выходе должна быть теплой или горячей. Колонна начала работать на себя.
4. Контролировать значения на термометрах в колонне, подождать стабилизации показаний.
5. Определить рабочую мощность колонны. Для этого после стабилизации температур проверить давление в кубе. Понадобится манометр до 6000 Па (0,06 кг/ кв. см, 400 мм. вод. ст.), или U-образный дифманометр, подойдет и манометр от тонометра (если ничего другого не найдется).
Если давление стабильно и не растет, добавить мощность нагрева на 50-100 Вт. Давление в кубе должно подняться и через 5-10 минут стабилизироваться на новой величине. Повторять эту операцию до тех пор, пока давление не перестанет стабилизироваться и будет постоянно расти, например, по прошествии 20 минут рост продолжается. Запомнить текущие показания – это мощность захлеба.
Если имеется 50 мм колонна и насадка СПН 3,5, то последнее не растущее давление (в мм. водяного столба) будет примерно равно 20% высоты колонны в миллиметрах. Если же давление составит 30-40% от высоты колонны – это значит, что флегма зависла, и дальше идет процесс захлеба. При менее плотной насадке с меньшей удерживающей способностью мощность захлеба будет выше.
Если манометра нет, ориентируются на звуки колонны – при захлебе колонна может начать раскачиваться, слышится бульканье, повышенный шум, также возможны спонтанные выбросы спирта через трубку связи с атмосферой или в холодильник при отборе по пару. В первый раз без опыта определить захлеб колонны сложно, но возможно.
После определения мощности захлеба выключить нагрев и подождать несколько минут, чтобы флегма стекла в куб. Включить нагрев на мощности на 10% меньшей, чем захлебная. Дождаться стабилизации температур и давления в кубе. Если все в порядке, то это и будет рабочая мощность колонны.
Если рабочая мощность намного ниже номинальной, это значит, что насадка или опорные элементы насадки неправильно упакованы в колонну: слишком переуплотнена насадка, возможно путанка, есть очаги концентрации флегмы, где пар ее останавливает, затапливая колонну. В таком случае нужно разобрать колонну, пересыпать насадку, расправить путанку, затем собирать заново и повторить процесс настройки.
Рабочую мощность колонны определяют один раз. В дальнейшем полученное значение используют постоянно, изредка внося коррективы.
При правильно подобранной рабочей мощности давление в кубе будет каждый раз одинаковым. Оно не зависит от диаметра колонны и обычно составляет для насадки СПН 3,5 – 150-200 мм вод. ст. на каждый метр высоты насадки, для СПН 4 – 250-300 мм вод. ст., для других насадок значение будет иным.
При поиске рабочей мощности также можно ориентироваться на следующие практические данные: для травленной семигранной СПН 3,5 рабочая мощность в Ватт ориентировочно равна 0,85-0,9 от площади поперечного сечения трубы в миллиметрах. Если используется СПН 4, коэффициент возрастает до 1,05-1,1. Для менее плотных насадок коэффициент будет больше.
6. После стабилизации на рабочей мощности дать колонне поработать на себя в течении 40-60 минут.
7. Установить отбор «голов» на скорости 50 мл/час для 40 мм колонны, для 50 мм – 70 мл/час, для 60 мм – 100 мл/час, для 63 мм – 120 мл/час. При условии, что используется СПН.
Время отбора «голов» определяют, исходя из объема навалки: 12 минут (0.2 часа) на каждый литр 40% спирта-сырца. Нужно помнить, что это не дистилляция на обычном аппарате со змеевиком – в колоннах происходит разделение на фракции и последовательный их вывод в отбор в концентрированном виде.
Рекомендации типа 3-5% от абсолютного спирта – усредненные значения, но их никто не отменял, а точный контроль окончания отбора «голов» делают, ориентируясь по запаху выхода. Следует помнить, что время и скорость отбора «голов» — величины не связанные. Если отбирать «головы» со скоростью вдвое большей, они просто получатся в менее концентрированном виде.
Общий принцип: при отборе любой фракции нельзя забирать из колонны больше, чем поступает в зону отбора. Это предотвратит нарушение разделения фракций по высоте колонны.
8. Изменение скорости отбора осуществляется только с помощью регулировки подачи воды в дефлегматор для колонн с отбором по пару выше дефлегматора. Если колонна с жидкостным отбором, то просто краном отбора.
Мощность нагрева всегда должна быть неизменной, это обеспечивает стабильность количества подаваемого в колонну пара и работы колонны в целом.
9. Отобрать подголовники – это спирт второго сорта, слегка загрязненный головными фракциями. Его количество равно 1-2 объемам спирта, удерживаемых насадкой в колонне (150-500 мл). По сути делается промывка насадки от остатков «голов» и накопившихся в колонне промежуточных фракций. Для этого отбор устанавливают на уровне 1/3 от номинального (порядка 500 мл/час). Спирт второго сорта годится для повторной перегонки.
10. Перейти к отбору «тела»: установить начальную скорость отбора равную номинальной или немного выше. Номинальная скорость (мл/час) численно примерно равна рабочей мощности нагрева (в Вт). Например, если рабочая мощность 1800 Вт, то и начальная скорость отбора «тела» 1800 мл в час. К концу отбора скорость снижают до 600 мл/час,
11. Контролировать процесс по показаниям термометров и давлению в кубе. Существует несколько методов. Простейший – ориентироваться по разнице температур между нижним (20 см от низа насадки) и средним (на половине или 2/3 высоты колонны) термометрами. После начала отбора «тела» разница этих показаний не должна изменяться больше чем на 0,3 градуса. Как только разница увеличится более чем на принятую величину – нужно снизить скорость отбора на 70-100 мл.
Особые случаи: если есть только один термометр, действовать точно так же, ориентируясь на изменение его показаний. Для нижнего – изменение на 0,3 градуса, для верхнего – 0,1 градус. Это менее точный метод, так как он чувствителен к перепадам атмосферного давления.
Если термометров в колонне нет вообще, ориентируются на изменение температуры в кубе – снижают отбор на 6-10% после повышения температуры в кубе на каждый градус. Это неплохой метод, который позволяет идти на опережение залетов в колонне по температуре.
12. После отбора половины «тела» все чаще и чаще приходится уменьшать скорость отбора. Когда температура в кубе поднимается выше 90 °C, сивуха и другие промежуточные примеси покидают куб и накапливаются в насадке. Для более четкого их отсечения можно перед уменьшением отбора дать колонне поработать на себя в течении нескольких минут, затем возобновить отбор после того как разница температур вернется на прежний уровень, естественно, уменьшив скорость отбора. Это позволит более четко отсечь «хвосты» за счет создания спиртового буфера в зоне отбора.
13. Когда отбор снижается в 2-2,5 раза по отношению к начальному, температура регулярно покидает рабочий диапазон, при этом температура в кубе составляет 92-93 °C. Это сигналы для БК о том, что пора переходить к отбору «хвостов». На РК за счет большей удерживающей способности, при навалке меньше 20 объемов насадки, отбор можно продолжать до 94-95 °C, но зачастую процесс прекращают, сохранив время и нервы.
Поменять тару, установить скорость отбора примерно в половину или 2/3 от номинальной. Хоть это и «хвосты», но нужно постараться взять минимум примесей. Отбирать до 98 °C в кубе. «Хвосты» подходят для второй перегонки.
14. Промыть колонну. После отбора «хвостов» дать колонне поработать на себя 20-30 минут, за это время вверху соберутся остатки спирта, затем отключить нагрев. Спирт, стекая вниз, промоет насадку.
Также периодически нужно пропаривать насадку, убирая остатки сивушных масел. Это можно сделать, выгнав спирт-сырец «досуха», затем на приличной скорости продолжать отбор, пока не пойдет дистиллят без запаха. Второй метод – залить в куб чистую воду и пропарить колонну.
Курсовая работа: Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия
| Название: Расчёт ректификационной колонны непрерывного действия Раздел: Промышленность, производство Тип: курсовая работа Добавлен 00:22:36 20 января 2011 Похожие работы Просмотров: 33596 Комментариев: 21 Оценило: 8 человек Средний балл: 4.9 Оценка: 5 Скачать |
