Высота теоретической тарелки или ВЭТС насадки

Процесс тепломассообмена в насадке проходит непрерывно по высоте, а состояние фазового равновесия между флегмой и паром, эквивалентное одной теоретической ступени «ТС», наступает после преодоления паром некоторого слоя «мокрой» насадки. Высоту этого слоя измеряют обычно в сантиметрах и называют высотой теоретической тарелки «ВТТ» или Нтт, или высотой единицы переноса «ВЕП», или высотой, эквивалентной (одной) теоретической ступени «ВЭТС». Все эти термины с точки зрения физического процесса тепломассообмена эквивалентны. Далее на сайте мы будем употреблять термин «ВЭТС», как наиболее распространенный в настоящее время.

На первый взгляд, что может быть проще измерения чего-либо в сантиметрах, однако это видимая простота. ВЭТС не есть величина постоянная, а является функцией многих переменных, и зависит от:

типа жидкости,
флегмового числа,
диаметра колонны,
наличия паро- и флегмо- распределяющих элементов,
паровой нагрузки и пр.

Тип жидкости и флегмовое число

«Хорошие» насадки часто характеризуют величиной ВЭТС = 3...4 см. К сожалению, никто при этом не сообщает, для какой жидкости и при каких условиях она получена. Так вот, если для спирта воспользоваться этим значением, то высота спиртовых колонн с этой «крутой» насадкой должна была бы быть не более ВЭТС = 13ТТ·5 см = 65 см. Но сейчас всем известно, что это совсем не так, и любые, даже самые «короткие» спиртовые колонны, значительно выше.

Чтобы разрешить это противоречие, нам придется сделать небольшое историческое отступление. Когда мы только начинали разрабатывать домашние ректификационные установки (1985г.), единственным источником добротной информации была книга «Руководство по лабораторной перегонке», автор Крель Э. В ней и была указана величина ВЭТС = 1...5 см. Естественно, первый опытный образец колонны был сделан именно такой высоты - 60см. Полученный на этой колонне спирт был весьма далек от совершенства. Добиться требуемой концентрации спирта-ректификата (96% и выше) удалось лишь на колоннах высотой 120...200 см, в зависимости от производительности. Далее, обобщая полученные результаты, мы формально поделили высоту колонны на величину ВЭТС, получили число тарелок порядка 30...40, и успокоились... Для наших практических нужд этих результатов казалось достаточно.

Позднее, занимаясь более глубоко совершенствованием наших насадок, мы вынуждены были разобраться в физической сути процессов, происходящих в насадке при ректификации спирта.

Во-первых: водно-спиртовые смеси разных концентраций, с точки зрения теплофизических свойств, это разные жидкости, поэтому величина «спиртовой» ВЭТС будет своя для каждой концентрации. Т.е. одна и та же насадка в спиртовой колонне имеет переменное по её высоте значение ВЭТС, причём эти значения могут различаться в несколько раз!

Во-вторых: известно, что при увеличении флегмового числа (увеличение степени орошения насадки) ВЭТС насадки уменьшается и достигает своего минимального значения при бесконечном флегмовом числе. Влияние флегмового числа на ВЭТС весьма существенно!

На рисунке для насадки одного типоразмера приведены качественные зависимости изменения ВЭТС от концентрации спирта для трёх разных флегмовых чисел. Естественно для каждой насадки эти зависимости будут индивидуальны, но общий характер этого графика не изменится.

Сумма, например, тринадцати ВЭТС, (спирт-ректификат), взятых из этого графика при соответствующих концентрациях для каждой теоретической тарелки и даст реальную высоту спиртовой колонны для данной конкретной насадки.

Если все же возникает желание измерить спиртовой ВЭТС какой-то насадки при разных флегмовых числах и разных концентрациях, то сделать это можно только на специализирован-ном стенде. Такие исследования мы обычно и проводим при изучении и сравнении разных насадок, и не только для спирта. Кстати для других жидкостей уровень и характер изменения ВЭТС может быть и иным.

Всё остальное...

Все остальные «переменные» оказывают меньшее и более понятное влияние на ВЭТС.

Однако, нам, разработчикам и изготовителям целой серии колонн разной производительности, и, соответственно, разных диаметров, недооценивать его влияние нельзя. Так, с увеличением диаметра колонны, из-за ухудшения паро- и флегмораспределения в поперечном направлении ВЭТС насадки увеличиваться. В конструкциях колонн большого диаметра для компенсации этой тенденции мы обязательно применяем специальные паро- и флегмораспределяющие элементы.

Чем ниже уровень кривой ВЭТС от концентрации спирта в кубе тем ниже колонна.

МВРЗ насадки или высота ректификационной части колонны.

Существуют, по крайней мере, три проблемы, требующие какого-то простого пояснения:

А) К сожалению, пока ещё не придумано показателя, характеризующего ОДНИМ ЧИСЛОВЫМ ЗНАЧЕНИЕМ «качество тепломассообменных свойств» насадки. ВЭТС насадки оказался функцией. Расчётные схемы, учитывающие ВЭТС как функцию, слишком сложны, и приводить их здесь мы не будем (не бойтесь).

Б) Многим трудно понять разницу между теми или иными колоннами с той или иной насадкой. Отсюда возникает масса вопросов: «А у других колонны ниже, чем ваши!? Может быть, у вас насадка плохая?», «Ваши колонны дороже, чем у других!? А можно у вас купить колонну только с одной царгой?», «Вы говорите, что на ваших колоннах спирт 96%, а другие говорят, что их колонны дают 96,5%!?», ....

В) Каждый производитель пользуется «своей» насадкой, свойства которой абсолютно индивидуальны. Соответственно, индивидуальными у колонн будут и такие технические характеристики, как затраты энергии на каждый литр получаемого спирта, его концентрация, производительность, высота и цена колонны. Все эти характеристики колонн тоже будут разными, даже если взять одну конкретную насадку (не имеет значения какую), но с разной высотой ректификационной части.

Чтобы разобраться со всеми этими и подобными вопросами, мы уже давно (внутри фирмы) пользуемся понятием МВРЗ насадки. И Вам это тоже должно помочь. По крайней мере, ознакомившись с этой частью информации, Вы самостоятельно сможете отвечать на аналогичные вопросы, и грамотно «пытать» менеджеров по продаже домашнего спиртового оборудования.

МВРЗ насадки – это такая Минимальная Высота слоя этой насадки, которая обеспечивает Решение поставленной Задачи (или сокращенно – Минимальная Высота Решения Задачи). Это и есть высота ректификационной части спиртовой колонны с этой насадкой.

В таблице приведено несколько разных, но реальных вариантов постановки ЗАДАЧ получения спирта-ректификата «СР» из спирта-сырца «СС» на домашних спиртовых колоннах периодического действия. Под переходящим остатком «ПО» понимается остаток, состоящий из спирта, воды и хвостовых фракций, образовавшийся после «схода» колонны со «спиртовой полки». Объем «ПО» измеряется в процентах относительно всего «СР», полученного на «спиртовой полке».

Для пояснения МВРЗ приведён схематичный рисунок, на котором слева изображена ректификационная часть колонны бесконечной высоты, а справа изменение концентраций спирта по её высоте: в начале СС₄₀ и в конце СС₀ ректификации. Изменение этих концентраций представлено для двух флегмовых чисел ƒ = 3 и ƒ = 6. Точки «К₄₀» и «К₀» на графиках соответствуют концентрации СР₉₆, достигнутой на этой высоте насадки, соответственно, в начале и в конце ректификации. Надо обязательно учитывать, что вверх по колонне от этих точек концентрация спирта только увеличивается - 96,1%, 96,2%, 96,3% и т.д., но отобразить это на графиках не представляется возможным.

Специального комментария с выводами этот рисунок не требует, достаточно внимательно изучить его. Для этого сравните друг с другом изменение концентраций по высоте колонны при разных флегмовых числах, сопоставьте их с параметрами соответствующих «ЗАДАЧ» из таблицы, и получившимися МВРЗ.

ЗАДАЧА	Управление ректификацией	Концентрация СР, %	Флегмовое число, ƒ	Объем ПО, %	Затраты энергии, кВт·ч/л
№1	саморегулирование	более 96	const=3	3	1.0
№2	саморегулирование	более 96	const=3	20	~1.2
№3	оператор или автоматика	не более 96	var=3…6	зависит от оператора или автоматики	~1.5
№4	оператор или автоматика	не более 96	var=3…>>6	зависит от оператора или автоматики	~3.0
№5	саморегулирование	более 96	const=6	20	~1.75
№6	оператор или автоматика	не более 96	var=6…>>20	зависит от оператора или автоматики	~5.0

В таблице стоит прокомментировать только «Задачу №1» - именно эту ЗАДАЧУ и выполняет любая из наших ректификационных колонн от РУМ-05 до РУМ-20. Именно об этой ЗАДАЧЕ рассказано более просто на страничке «высота и флегмовое число колонны».

Теперь понятно что для решения РАЗНЫХ ЗАДАЧ с помощью одной и той же насадки потребуется и разная её высота - МВРЗ. При этом чем «ниже» требования в ПОСТАВЛЕННОЙ ЗАДАЧЕ, тем меньше будет МВРЗ (ниже будет колонна) и, как следствие, меньше её цена.

МВРЗ₆ < МВРЗ₄ < МВРЗ₅ = МВРЗ₃ < МВРЗ₂ < МВРЗ₁

Кстати, для другой насадки эти высоты будут другими - большими или меньшими, в зависимости от РЕКТИФИКАЦИОННОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ той или иной насадки.

Ну и последнее. А можно ли на наших колоннах получать «СР» с концентрацией более 96,5%? Конечно, можно! С помощью наших колонн с МВРЗ₁ мы гарантируем решение только «Задачи №1»! А, если Вы будете работать на наших колоннах при ƒ > 3 (например, ƒ = const = 6), то будете получать и более высокую концентрацию спирта (ещё раз посмотрите на рисунок).

← пред.

В оглавление: Теория ректификации спирта

след. →