книги из ГПНТБ / Стабников В.Н. Перегонка и ректификация спирта

Основное назначение дефлегматора заключается в снабже­ нии колонны флегмой. Если колонна не снабжается флегмой, то пар в ней может конденсироваться только за счет теплопотерь. Флегма, образующаяся таким образом, называется «ди­ кой». Если предположить, что теплопотери равны нулю, то такой аппарат работает без флегмы. В этом случае на тарелках не образуется жидкой фазы и аппарат работает как простой ку­ бовой аппарат, без укрепляющей колонны. Наличие на тарел­ ках флегмь: создает возможность многократного контакта пара и жидкости, содержащей нижекипящий компонент. Это и соз­ дает процесс сложной ректификации.

Помимо этой основной задачи, дефлегматор производит так­ же укрепление паров, поступающих в него из колонны. Укреп­ ление происходит: а) за счет естественного выделения при кон­ денсации сложной паровой смеси жидкой фазы, обогащенной вы-

шекипящим компонентом; б) за счет контакта в дефлегматоре между паром и жидкостью. В этом случае на укрепляющий эф­ фект оказывает существенное воздействие конструкция дефлег­ матора.

назовем однократной дефлегмацией [1].

2. Процесс конденсации водно-спиртовых паров происходит постепенно. При этом образующийся конденсат не удаляется, а все время находится в контакте е паром. Это явление будем на­ зывать постепенной дефлегмацией.

О д н о к р а т н а я д е ф л е г м а ц и я . На рис. 122 представ­ лена диаграмма температур для системы спирт — вода. На этой диаграмме на оси абсцисс откладывается содержание н. к. в парах и в жидкости, а на осп ординат — температура кипения водно-спиртовых растворов при нормальном давлении. Кривая MCN дает температуру кипения жидкости. Кривая MBN дает состав паровой фазы при той или иной температуре кипения жидкости.

бесконечно малое количество паров dG. Концентрация спирта в оставшихся парах увеличится и станет равной A-\-dA. Концент­

Возьмем определенный интеграл;

dA

(93)

А - а ’

где G, и G2— количество водно-спиртовых паров, имеющих кон­ центрацию соответственно Ai и А2.

Флегмовое число

откуда

(94)

Преобразуя уравнение (93), получим:

Подсчитаем теперь эффект укрепления водно-спиртовых па­ ров . при постепенной дефлегмации.

Интеграл в правой части уравнения вычисляем графическим методом.

Для этого построим кривую функции ------ в зависимости от

А. Затем, измерив площадь и умножив ее на масштаб построе­ ния, найдем значения интеграла (рис. 123).

Подсчитаем, какое количество флегмы должно быть образо­ вано при постепенной дефлегмации для того, чтобы эффект укрепления был тот же, что и при однократной дефлегмации.

Построим иршую a= f (А), воспользовавшись табл. 17. Затем построим кривую подынтегральной функции. Примем масштаб построения этой функции 1 мм=0,001. Например, концентрации спирта в парах 41% вес. отве­ чает концентрация его в жидкой фазе 6% вес. Тогда:

перехода. В нашем случае он будет равен произведению 1 -0,001. Вся же площадь отвечает числу 0,55.

Отсюда

In О, - = In (v + 1) = 0,55.

Переходя от натуральных логарифмов к десятичным и про­ изведя вычисления, получим:

v = 0,74; 6'2 = 57,5 кг-, F = 42,5 кг.

Сопоставляя полученные данные с примерам, выполненным для случая однократной дефлегмации, мы видим, что при посте­ пенной дефлегмации достигается такой же эффект укрепления, как и при однократной дефлегмации, но при меньшем флегмовом числе. Именно в наших примерах при однократной дефлег­ мации флегмовое число было равно 1, а при постепенной — 0,74.

Следовательно, постепенная дефлегмация более эффективна. При конструировании дефлегматоров нужно стремиться к тому, чтобы создать более благоприятные условия именно для посте­ пенной дефлегмации. Для этого следует удлинить путь прохож­ дения паров в дефлегматоре и уменьшить разницу температур между охлаждающей водой и конденсирующимися парами.

Как можно видеть «а графике, укрепляющий эффект дефлег­ матора невелик. Так, при крепости дистиллята 95,5 %об. и флег-

та теплопередачи в дефлегматорах с направлением охлаждаю­

Поэтому поверхность охлаждения дефлегматора возрастает при прочих равных условиях в 2 |раза. При равных же поверхно­ стях охлаждения потребуется увеличить расход охлаждающей воды на 45—50 %.

Вследствие изложенного автор исследования предлагает:

1) при конструировании вертикальных дефлегматоров руко­ водствоваться требованиями теплотехники и направлять ох­ лаждающую воду снизу вверх (тип II);

2) в тех аппаратах, где вода в дефлегматоры подается свер­ ху вниз, переменить направление воды, что должно повести к уменьшению ее расхода на 45—'50%. Крепость же спирта, по мнению автора, не должна измениться вследствие большого ко­

ляется дефлегматор с трубками, расположенными горизонталь­ но. Поверхность охлаждения такого дефлегматора, если она ве­ лика, располагается в нескольких кожухах (барабанах), уста­ новленных один над другим и 'Соединенных для прохода пара горловинами.

Горизонтальные дефлегматоры имеют то преимущество пе­ ред вертикальными, ,что они требуют при одинаковой площади менее высоких помещений и более удобны при очистке поверх­ ностей нагрева.

Двухбарабаяный горизонтальный дефлегматор ом. рис. 104. Как видно из этого рисунка (см. стр. 180), это многоходо­ вой кожухотрубный теплообменник, снабжаемый иногда линзо­ вым компенсатором для устранения термических напряжений. Флегма стекает по трубкам дефлепматора навстречу поднимаю­ щимся парам, что обеспечивает контакт между паром и жидко­

стью.

Поэтому считают, что в дефлегматоре с горизонтальными трубками два ряда труб по укрепляющему эффекту приблизи­ тельно эквивалентны одной производственной тарелке.

Автору неизвестно, 'отвечает ли это действительности, так как опыты по исследованию горизонтальных трубчатых дефлег­ маторов не публиковались, однако можно предполагать, что з действительности укрепляющее действие труб дефлегматора меньше.

Следует отметить как положительное явление, что при кон­ струировании горизонтального дефлегматора в виде многохо­ дового теплообменника, удается увеличить скорость течения жидкости в трубах, что ведет к увеличению коэффициента теп­ лоотдачи.

§ 3. «ДИКАЯ» ФЛЕГМА И ИЗОЛЯЦИЯ КОЛОНН

Под таким наименованием понимают флегму, образующую­ ся в колонне за счет охлаждения корпуса колонны вследствие потери тепла в окружающее пространство.

В тесной связи с этим находится вопрос о том, целесообраз­ но ли с точки зрения процесса перегонки изолировать колонну и тем самым уменьшать потери тепла и образование дикой флегмы.

Вопрос этот может быть сформулирован и так: что целесооб­ разнее — устанавливать один большой дефлегматор вверху колонны или ряд малых дефлегматоров по высоте колонны?

Этот вопрос неоднократно рассматривался Хаусбрандтом [5], Юнгом [6], Марийе [7] и другими авторами.

Все они приходят к выводу, что наиболее целесообразно рас­ положение одного дефлегматора вверху колонны, так как, уста­ навливая по высоте колонны малые дефлегматоры, мы тем са­

228 Дефлегматоры, их теория и расчет

мым уменьшаем количество флегмы, поступающей на верхние тарелки. Тем самым решается вопрос о целесообразности тепло­ вой'изоляции колонн. Колонны должны быть тщательно изолиро­

изолированной колонне большой производительности потери достигают 5% от полезно затрачиваемого тепла; при изолиро­ вании они снижаются до 1%. Он отмечает также, что з боль­ ших колоннах потери на 100 л спирта меньше, чем в малых. Так, в колонне, перерабатывающей 1000 л бражки в час, поте­ ри тепла для неизолированной колонны составляли 3000 ккал, а для изолированной — 600 ккал. Соответственно для колонны, перерабатывающей 10 000 л бражки в час, потери для неизо­ лированной колонны составили 600 ккал, а для изолирован­ ной — 120 ккал.

А. А. Киров [2] указывает, что по результатам испытаний, проведенных на одном кубовом ректификационном аппарате, при недостаточно удовлетворительной изоляции потери состави­ ли 2,8% от полезного расхода тепла.

Бригадой КТИППа (2] проводились обследования ряда аппа­ ратов и было выяснено, что потерн в окружающее пространст­ во составили от 398 до 511 ккал на 100 кг бражки для неизоли­ рованного аппарата. Исходя из изложенного, принимают в рас­ четах потери тепла в колонне равными 500 ккал на 100 кг браж­

Исходными данными для расчета дефлегматора служат кре­ пость дистиллята и его количество за час, значение флегмового числа и начальная температура охлаждающей среды.

Задача заключается в определении поверхности нагрева и основных конструктивных размеров дефлегматора.

Тепловая нагрузка дефлегматора для случая, когда состав флегмы и дистиллята мало различаются (что имеет место при высокой крепости поступающих в дефлегматор паров), может быть найдена из следующего уравнения:

П р и м е р 9. Определить величину поверхности барабанного дефлегма­ тора для брагоперегонного аппарата производительностью 1000 дкл сырца в сутки, крепостью 88% об. (83,19% вес.).

Крепость бражки в аппарате 8% об. спирта (6,43% вес.). Температура бражки при входе в дефлегматор 28°. Трубки дефлегматора, охлаждаемые бражкой, медные, охлаждаемые водой—стальные.

Определим количество бражки, поступающей на аппарат в сутки. Весо­ вое количество сырца в сутки при у=0,84 кг/л составит:

10-1000-0,84 = 8400 кг.

отсюда, пренебрегая потерями в барде, получим:

8400-83,19 М = ------------1---- = 109000 кг

6,43

или 4530 кг/н.

Количество тепла , отводимое в дефлегматоре, может быть найдено из уравнения:

(?ф = юйГф = 3-350-262,5 = 278000 ккал!п,

гак как

8400

D = ——— = 350 кг/ч] v = 3; Гф = 262,5 ккал1кг.

Примем, что бражка нагревается в дефлегматоре до t= 70°. Теплоем­ кость бражки определяем по формуле Знаменского:

с = 1,019 — 0,00958 ккал\кг-град.

Приняв 8=7,3% вес., найдем с=0,95 ккал/кг ■град. Количество тепла, отдаваемое бражке, составит:

4530 (70 — 28) 0,95 я 181000 ккал1ч.

Согласно ранее сделанному расчету, количество тепла, которое должно быть отнято ,у паров флегмы, составляет 278000 ккал/п. 2°/о от этого тепла будет потеряно в окружающее пространство. Остальное тепло должно быть отведено в той ч*асти дефлегматора, которая охлаждается водой. На долю этой части падает:

278000-98

181000 = 970С0 ккал/ч.

100

При начальной температуре воды 20° и конечной 50° расход воды со­ ставит:

97000

= 3200 кг/к.

50 -20

Определим поверхность конденсации для части, охлаждаемой бражкой:

F = Q

и к

Примем, что температура конденсации пара будет постоянной и равной 80° С. Делая такое допущение, можно ошибаться только в сторону уменьше­ ния, так как вследствие некоторого укрепляющего действия дефлегматора пары, приходящие в дефлегматор из колонны, будут иметь температуру ки­ пения несколько более высокую, чем 80° С.