КПД у неё именно такой. Несомненно, насадочная РК это шаг вперёд, по сравнению с тарельчатыми колоннами, но не настолько, что бы сравнивать это «чудо» с ракетой. Конструктивно такая колонна это скорей комок противоречий, нежели нормальная рабочая система. Но давайте по порядку.
Глава Первая, теоретическая.
______________________________________________________________________________________________________________
И так, начнём… Для удобства понимания, давайте сразу условимся что в перегоняемой смеси у нас будет только вода и спирт. Мы принимаем, что удельная теплота парообразования воды и спирта, а так же их теплоёмкость константы (на самом деле это не так, и эти величины не постоянные). То, о чем я буду рассказывать ниже, объясняет лишь принцип и не претендует на точные математические расчеты.
Что такое насадочная ректификационная колонна? Колонна, у которой весь рабочий объем заполнен насадкой - материалом, имеющим высокую удельную поверхность.
Старинная теория ректификации не уделяет ни какого внимания распределению тепловой энергии в колонне. Не верите? Давайте посмотрим. На входе в колонну мы имеем, допустим, 1 кВт тепловой энергии, и соответственно ей количество водно-спиртового пара. В середине колонны у нас такое же количество тепловой энергии, и соответствующее её количество пара, только с большим содержанием спирта. Вверху колонны картина абсолютно идентичная. Т.е. на входе в колонну у нас 1 кВт, и на выходе тоже – 1 кВт (принимаем, что наша колонна имеет идеальную теплоизоляцию). Более подробно я остановлюсь на этом вопросе в математической главе. Различен только состав пара и его количество, но это мы собственно и добиваемся. Вот только количество пара вверху колонны несколько превышает количества пара поступающего из куба. Это не есть хорошо, скорее, на оборот. Для увеличения разделяющей способности ректификационной колонны логичнее было бы снижать скорость пара в колонне, а здесь мы её увеличиваем. Нонсенс? Несомненно.
Давайте разберёмся в процессах, происходящих в колонне. Несомненно, самая «важная» часть – это нижняя часть колонны, а точнее первые 20 сантиметров. Именно там и происходит основная конденсация тяжелокипящих фракций. Тут необходимо сделать маленькое отступление. Дело в том, что основная ошибка в понимании процесса ректификации заключается в этой картинке:
Именно она «уводит» нас в сторону от истины. Этот рисунок показывает лишь то, что такое теоретическая тарелка. Само понятие Теоретическая Тарелка – это не принцип ректификации, это лишь некий показатель разделяющей способности колонны и не более того. Дело в том, что флегма внутри колонны не кипит. Не верите? Вспомните обычную паровую баню, которую наверняка использует ваша жена на кухне. Для тех, кто не помнит – напомню. Возьмите две кастрюли, разного диаметра, вставьте их друг в друга и наполните их водой. Ставим эту конструкцию на печку и начинаем ждать, когда же закипит вода в верхней кастрюльке. Уверяю, этого вы не увидите ни когда, вода быстрее испарится, нежели закипит. Точно такие же процессы происходят в колонне. Флегма, текущая в низ, не кипит, а просто испаряется! И следовательно, рассматривать процесс ректификации как процесс многократной конденсации и испарения спирта по крайней мере не логично.
Вторая широко распространённая ошибка заключается в самом понятии «температура». Дело в том, что -
Температура есть мера средней кинетической энергии.
Ключевое слово здесь – «средней». Т.е. если температура пара, скажем, 90о С, то это не означает, что все молекулы пара имеют именно эту температуру. В таком паре содержатся молекулы воды с кинетической энергией равной 100о С и молекулы спирта с энергией эквивалентной 78,15о С, а средняя их температура как раз и будет составлять 90о С. Если молекула спирта хоть не много потеряет свою энергию, то она неизбежно сконденсируется, и не обязательно на какой либо поверхности. Эти молекулы «прилипают» друг к другу прямо в газе. Наглядно этот процесс можно наблюдать при кипении чайника. Ведь сам пар абсолютно прозрачен, но когда молекулы начинают терять энергию (конденсироваться), вот тут мы их и видим, точнее мы наблюдаем микроскопические капли конденсата.
Но вернёмся к нашей колонне. Процессы, протекающие в нижней её части, весьма условно можно назвать теплообменом. Тяжелокипящие фракции пара из куба конденсируются, низкокипящие из флегмы – испаряются, превращаясь в пар. Ни какого теплообмена не происходит, количество тепла, я говорил об этом выше, не изменяется. Оно всегда будет одинаковым, по всей высоте колонны, меняется только состав и количество пара. Не эффективность процесса, происходящего в нижней части насадочной колонны, можно оценить по количеству спирта, возвращаемого в куб в виде флегмы. Если верить академикам от самогоноварения, то в куб возвращается ровно столько спирта, сколько его содержится в кубовом остатке. Проверять сиё утверждение, у меня нет ни малейшего желания, по этому, попробуем просчитать, но это несколько ниже. Т.е. мы имеем бесполезно потраченную энергию – сначала мы выпариваем спирт из СС, потом почти половину возвращаем обратно в виде флегмы! На лицо не правильно организованный процесс, но это опять издержки самой конструкции насадочной колонны. Логичнее было бы на этом этапе отвести часть тепла конденсации тяжелокипящих фракций из колонны, но эта уже другая тема для размышления. О ней я подробно расскажу и покажу, уже в практической ветке форума. А пока давайте рассуждать дальше.
И так, мы «охладили» наш пар до желанных 78,3о С, и он продолжает подниматься по колонне, а на встречу ему течет флегма из дефлегматора. Что происходит на этом этапе? Напомню – температура конденсации меньше или равна температуре кипения фракции. Следовательно, часть молекул спирта уже может перейти из парообразного состояния в жидкое (сконденсироваться). Давайте рассмотрим случаи, когда молекула спирта сталкивается с поверхностью конденсации с температурой 78,3о С. Возможно два варианта развития событий:
В первом случае, не происходит ни какой передачи энергии, во втором, эта молекула отдаст часть энергии флегме (теплота конденсации равна теплоте парообразования) и из неё тут же испарится другая молекула спирта, унося энергию. Это и есть тепловой баланс. Температура поверхности конденсации не изменилась, температура пара то же. Естественно и состав пара остался неизменным.
Но в большей степени температура 78,3о С, благоприятна для конденсации молекул воды, нежели спирта. Для молекулы воды наша картинка будет иметь такой вид:
У этой молекулы, при соприкосновении с поверхностью, температура которой 78,3о С, нет другого выбора, кроме как передать тепловую энергию поверхности (флегме), а самой сконденсироваться. Этой энергии вполне хватит, что бы испарить несколько молекул спирта (две, три и т.д.). В этом случае, температура пара несколько упадёт (но возрастёт его количество), а температура флегмы ни как не изменится. Вот здесь, мы видим, что состав пара изменяется, это и есть принцип ректификации ну и собственно ТМО.
Вот здесь есть один очень интересный момент. Мы с Вами рассмотрели случаи соприкосновения молекул с поверхностью температура которой равна температуре кипения спирта, но если нам удастся термостабилизировать температуру (отвести часть тепла) поверхности конденсации, скажем, на уровне 80о-82о С (несколько больше температуры кипения этанола), то молекулы спирта не смогут конденсироваться на ней! Но это невозможно сделать в случае насадочной колонны. В этом и заключается, пожалуй самый главный недостаток этого метода ректификации.
Но не всё так гладко в этом процессе… Конечно, был бы идеальный вариант – молекулы воды конденсируются, этанола испаряются… красота! В итоге на выходе мы имеем чистый спирт-ректификат! Но, существует еще и естественное испарение, или в какой-то момент времени, в одну и туже точку, ударились две молекулы воды. Образовалась зона локального перегрева и из неё могут испариться не только молекулы спирта, но и молекула воды. Вот здесь нам и необходима большая площадь поверхности конденсации.
А теперь, давайте разберёмся - нужна ли флегма вверху колонны? Какая разница будет или поверхность конденсации (насадка) орошаться флегмой , или нет? Температура насадки и флегмы одинаковая, следовательно, и условия конденсации одинаковы, в обоих случаях! Вдобавок ко всему сказанному, на поверхности насадки будет образовываться своя флегма («дикая», т.е. не управляемая). В данном случае флегма из дефлегматора играет только отрицательную роль, создавая дополнительное препятствие на пути пара. Ни какой смысловой нагрузки она не несёт. На самом деле, для протекания процессов испарение-конденсация, вполне хватит и дикой флегмы. Не нужно быть семи пядей во лбу, что бы понять – количество флегмы должно возрастать пропорционально высоте колонны, чем ниже, тем больше флегмы требуется. В современных РК мы наблюдаем прямо противоположную картину. Опять несуразица?
Наверное, настал момент поговорить о эффективности самой насадки. Обладает ли эта насадка какими-то «волшебными» свойствами, приписываемыми ей некоторыми нашими коллегами? Оказывается, нет! Плёночные колонны значительно эффективней насадочных. Это было доказано ещё в середине прошлого века, правда, с одной оговоркой – скорость пара в такой колонне не должна превышать 1 м/с. Давайте сравним оба этих способа ректификации. Высота ТТ (расстояние на котором происходит укрепление пара, так, если бы мы перегоняли СС на обычном прямоточнике) для насадочной колонны порядка 1,5-2,5 см, а для плёночной колонны составляет всего 0,5 см. Есть разница? Естественно. С другой стороны использование насадки, в качестве метода увеличения площади конденсации, есть тупиковая ветка в развитии. Опять не верите? Смотрите сами – увеличение разделяющей способности колонны, требует увеличения площади контакта пара и флегмы. Это, в свою очередь, требует увеличения удельной поверхности насадки, что неизбежно приведёт к росту гидравлического сопротивления колонны, и как следствие, к снижению ее производительности. Разве это не тупик?
Ещё один существенный недостаток современных РК - это обязательное наличие дорогостоящей автоматики. Конечно, можно обойтись и без неё, но поверьте, Вам очень быстро надоест сидеть сутками напролёт возле своего детища, постоянно подкручивая всякого рода регуляторы, следя за дельтой температуры. Я уже давно создаю аппараты с автоматическим регулированием ФЧ, и все они прекрасно работают без электроники. По сути, любой парциальный дефлегматор есть регулятор ФЧ. Главное знать, где и когда применить его. На самом деле всё предельно просто – интенсивность конденсации зависит от разности температур охлаждающей поверхности и температуры кипения отдельно взятой фракции. Если температура пара постоянна, на таком дефе конденсируется строго определённое количество пара, питая колонну флегмой. Как только температура пара поползла вверх, увеличивается и количество конденсата (возвращаемой флегмы). Эта флегма опустится вниз и «охладит» пар, сконденсировав тяжелокипящие фракции.