Теоретическая и физическая тарелки

Проще всего суть процессов дистилляции и ректификации спирта пояснить с помощью кривой равновесия фаз бинарной водно-спиртовой смеси (при нормальном атмосферном давлении). Из графика (см. рисунок) видно, что почти вся кривая равновесия лежит выше диагонали Y=X, то есть при испарении водно-спиртового раствора можно получать концентрацию спирта в парах большую, чем его концентрация в исходной жидкости. Именно это свойство спирта лежит в основе процессов его дистилляции и ректификации.

Например, при простой перегонке 10%-ной бражки сначала получается «первач» с концентрацией примерно 53%об. Затем, по мере уменьшения концентрации спирта в кубе соответственно уменьшается и концентрация дистиллята. В результате к концу этого процесса весь отобранный самогон имеет среднюю концентрацию 35…40%об.

Стоит обратить внимание на точку пересечения кривой равновесия фаз с диагональю (точка А), где X=Y=97,2% (объёмных!). Это особая точка – точка азеотропа - нераздельно кипящая жидкая смесь двух чистых компонентов, которая при нормальном атмосферном давлении не разделяется на составляющие путём перегонки или ректификации (перегоняется как индивидуальное вещество). Водно-спиртовая смесь, максимально приближенная к точке азеотропа (достичь её практически невозможно), называется спирт-ректификат.

Используя кривую равновесия и диагональ Y=X (см. рисунок), можно построить ряд последовательных ступенек 10-53, 53-82, 82-88, 88-92 и т.д. Вертикальная часть ступеньки соответствует повышению концентрации спирта в паровой фазе вплоть до наступления равновесия фаз (точка пересечения вертикали с кривой равновесия), Горизонтальная часть ступеньки соответствует конденсации этих паров и выравниванию концентраций спирта в паровой и жидких фазах (точка пересечения горизонтали с диагональю Y=X). Для получения спирта-ректификата из бинарной водно-спиртовой смеси с начальной концентрацией 10% теоретически потребуется порядка тринадцати таких последовательных перегонок (ступенек).

Совершать такое количество перегонок весьма трудоемко и не выгодно энергетически. Уже в середине XIX века была реализована идея ректификационной колонны, в которой за один раз можно осуществить ЛЮБОЕ количество последовательных перегонок. При этом расход энергии сокращался более чем в 4 раза. Каждая такая перегонка-ступенька исторически называется теоретической тарелкой (ТТ). ТТ ещё называют теоретической ступенью (ТС), а сейчас все чаще называют единицей массопереноса или упрощенно - единицей переноса (ЕП). Термины ТТ, ТС и ЕП имеют одинаковый физический смысл, а мы далее по тексту будем употреблять наиболее распространенный – ТС.

В ректификационных колоннах тоже существуют тарелки их называют физическими тарелками (ФТ). Классические ФТ, приведённы на картинке, и работают следующим образом. Поднимающийся вверх по колонне пар «пробулькивает» через слой флегмы, находящейся на тарелке, при этом в пузырьках происходит тепломассообмен между жидкой и паровой фазами, а излишки флегмы сливаются через переливную трубку на нижерасположенную тарелку. Проходя тарелку за тарелкой, пар всё более обогащается спиртом. Важно отметить, что в реальности после прохода пара через одну ФТ равновесие между фазами, эквивалентное одной ТС, не достигается. Мерой несоответствия между ФТ и ТС является коэффициент полезного действия (КПД) физической тарелки. У классических ФТ (как на рисунке) КПД составляет порядка 50%. Т.е. для достижения равновесия фаз, соответствующего одной ТС, потребуется две ФТ. Таким образом, для получения спирта-ректификата из бинарной смеси потребуется около 26-ти ФТ.

В заключение необходимо отметить, что использование кривой равновесия фаз бинарной смеси спирт+вода для пояснения сути процесса ректификации достаточно условно и не отражает всей сложности этого процесса. Поэтому реальные технические характеристики колонны определяются с учётом более сложной картины этого физического процесса, и, как правило, уточняются по результатам экспериментов.

← пред.

В оглавление: Теория ректификации спирта

след. →