Это не просто теоретическое отступление, а руководство по правильному выбору ректификационного оборудования.

Главные режимные параметры ректификационной колонны

Если выбраны насадка, диаметр и высота ректификационной части спиртовой атмосферной колонны, то есть только два главных режимных параметра, полностью определящие её производительность, затраты энергии и качество получаемого спирта - технологическая мощность и флегмовое число.

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]:

M = W/r_96%, кг/с [1]
где r_96% = 920 кДж/кг - теплота испарения спирта-ректификата.

Флегмовое число (или производительность колонны).

На рисунке изображены массовые потоки в верхней части ректификационной колонны. Пар, вышедший из царги Мп = М, полностью конденсируется в дефлегматоре и превращается в дистиллят М = Мд. Часть этого дистиллята Е отбирают, а другая его часть R, называемая флегмой, возвращается обратно в колонну.

М = R + Е, кг/с [2]

Флегмовое число ƒ - это отношение количества флегмы R, возвращаемой в колонну на орошение насадки, к количеству отбираемого дистиллята Е.

ƒ = R/Е [3]

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».

Если полностью открыть отбор (Е = М, а R = 0), то возврата флегмы в колонну не будет, флегмовое число будет равно нулю (ƒ = 0). В этом случае в ректификационной части колонны её контактные элементы полностью «иссушаются», тепломассообменные процессы прекращаются, и ректификационная колонна превращается в банальный «самогонный аппарат». Тогда

М = Е·(ƒ+1), кг/с [4.1]

или производительность колонны

Е = М/(ƒ+1), кг/с [4.2]

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:

W = r_96%·Е·(ƒ+1), кВт [5]

А с учетом плотности спирта ρ и объёмной производительности Р, измеряемой в литрах за час, эта же зависимость будет выглядеть так:

W = r_96%·P·ρ·(ƒ+1)/3600 = 920·P·0.8·(ƒ+1)/3600 = 0,2044·Р·(ƒ+1), кВт [6]

Удельные затраты электроэнергии на каждый литр спирта Q будут зависеть только от величины флегмового числа:

Q = 0,2044 (ƒ+1), кВт·ч/л [7.1]

или, с учётом технологического запаса (~22%):

Q = 0,25·(ƒ+1), кВт·ч/л. [7.2]

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:

Флегмовое число, ƒ	2,5	3,0	4,0	5,0	6,0	9,0	12	20
Удельные затраты энергии Q, кВт·ч/л	0,88	1,00	1,25	1,50	1,75	2,50	2,25	5,25
Удельная производительность 1/Q, (л/ч)/кВт	1,14	1,00	0,80	0,67	0,57	0,40	0,44	0,19

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:

технологическая мощность W однозначно связана с диаметром колонны и типоразмером насадки внутри её ректификационной части. Вы ограничены некоторой предельной паровой нагрузкой на колонну, попытка превзойти которую, для повышения производительности (см.[4.2]), неминуемо приведёт к захлёбыванию насадки.
флегмовое число ƒ (или удельная производительность колонны 1/Q) жёстко связаны с высотой ректификационной части колонны и типоразмером насадки. Для получения спирта-ректификата Вы «обречены» работать на определенном флегмовом числе при соответствующей производительности. Это число не всегда равно трём с затратами энергии на литр спирта Q = 1,0 кВт·ч/л (как в наших колоннах). В других колоннах оно может оказаться существенно большим и большими затратами энергии Q = 1,5 или того хуже Q = 3. А слишком низкая колонна с плохой насадкой при любом флегмовом числе вместо спирта-ректификата выдаст лишь укреплённый САМОГОН.

← пред.

В оглавление: Теория ректификации спирта

след. →