Страница 142 из 179
Колонну с теми или иными контактными элементами можно «нагружать» и меньшим потоком пара. Однако, максимальная эффективность многих контактных элементов (КПД тарелки и ВЕП насадки) реализуется при работе колонны вблизи состояния захлебывания. Поэтому все ректификационные колонны проектируют на рабочий режим, максимально приближенный к предельной пропускной способности колонны.
Массовый расход паров спирта (при теплоте парообразования СР 925 кДж/кг), проходящий через колонну, полностью определяется мощностью, подведенной к испарительной емкости. Так, например, при технологической мощности в 1 кВт будет образовываться следующее количество паров спирта в единицу времени:
Мд = 1 кВт/925 кДж= 0,00108 кг/с = 3,89 кг/час.
Поэтому на этапе ректификации колонна нагружается только той технологической мощностью (WT), которая соответствует вашей установке. Если Вы увеличите подводимую мощность, Вы увеличите количество испаренного спирта, а, следовательно, увеличите скорость его паров по колонне. В результате произойдет захлебывание колонны со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Стоит отметить, что захлебывание колонны может наступить и при номинальной (правильной) технологической мощности, подведенной к испарительной емкости. Существуют только три причины такому нестандартному поведению колонны.
Первая причина — это или засорение нижней части колонны пеной, например, от бражки или переполнение испарительной емкости перерабатываемой жидкостью. Это является прямым нарушение инструкции по эксплуатации, о заполнении испарительной емкости.
Вторая причина — это повышенное напряжение в сети (более 230 В), что приводит к увеличению тепловой мощности технологического ТЭНа.
Третья причина — это сильное понижение атмосферного давления или попытка эксплуатации колонны в высокогорной местности. На эту причину стоит обратить особое внимание.
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
ΔР = 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 Мп = М проходит по ректификационной части колонны вверх, полностью конденсируется в дефлегматоре, и превращается в дистиллят Мд = 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.