Как найти флегмовое число

Калькулятор флегмового числа колонны

Теоретический расчет соотношения отбора и возврата флегмы ректификационной колонны.

Ver.1.0 last modified June 2016

Обратите внимание, что массовый расход пара по высоте колонны будет неравномерен, расчет производится с т.н. «спиртовой полки» колонны, где в верхней части колонны концентрируется максимальное количество этанола, а массовый расход более постоянный.
Этот калькулятор не является идеальным инструментом для расчета флегмового числа, вычисления были занижены для более объективной коррекции на различные факторы (потери тепла, плотность спирта, атмосферное давление)

Пример подобного расчета можно посмотреть Тут Теоретическая, упрощенная формула F = P/E96%, кг/с.

Калькулятор подходит для оценки колонны снабженной узлом возврата и работает относительно корректно только со стабильной ректификационной колонной, конструкция которой многократно испытана на практике.
Ознакомиться с готовыми экземплярами участников проекта можно Тут

Рекомендуемые параметры колонн

Рекомендуемые максимальные параметры верны только дя колонн снабженных самой лучшей и популярной проволочной насадкой (мочалки-скрубберы, путанка и т.п..)

25-27мм — 800 Ватт

31-35мм — 1250 Ватт

38-41мм — 1800 Ватт

44-47мм — 2450 Ватт

50-53мм — 3200 Ватт

57-60мм — 4050 Ватт

63-65мм — 5000 Ватт

Данные параметры ориентированы на высоту насадки 1 метр, при средней пористости 70%, критическим поверхностным натяжением 0.075 Н/м, но не идеальны, так как сильно зависят от плотности упаковки насадки в царге, осуществляемой вручную и хаотично. При увеличении высоты насадки и уменьшении плотности насадки, возможна большая подводимая мощность без захлеба колонны.

Расчеты

Mr = (W / 925) / 0.8 * 3600
F = (Mr — V) / V

Mr — массовый расход дистиллята в колонне
F — флегмовое число
W — подаваемая мощность
V — скорость отбора

Флегмовое число (ФЧ) — это отношение дистиллята (флегмы) которая вернулась
обратно в колонну, к дистилляту который уходит в отбор. Например, если мы
отправляем в колонну 3 части всей флегмы, а отбираем 1 часть, то ФЧ равно 3.
Считается, что ФЧ не должно быть меньше 3, т.е. отбирать мы можем максимум четверть от
всей образовавшейся флегмы. Если нарушить это правило, то нарушатся процессы темпломассобмена
в колонне.

Чтобы найти ФЧ, нужно знать два параметра: количество флегмы которое образуется в единицу времени
и скорость отбора. Последнее мы значем, т.к. сами устанавливаем скорость отбора.
Расчет будем вести для спирта-ректификата 96.6 %(об.).

Понятно, что данная методика верна только при нормальном атмосферном давлении и без потреь тепла, т.е.
когда вся энергия тратится только на испраение. В реальности же тепло тратится на разогрев самого куба и
помимо этого еще уходит в окружающую среду (поэтому колонну утепляют). Расчет производится в верхней
точки колонны, где находится максимальное количество этанола.

Ректификация существенно более сложный процесс нежели дистилляция. Он требует осуществления ряда предварительных расчетов. Сегодня мы разберем что такое флегмовое число а также покажем какую роль играют расчеты в ректификации.

План

1. Флегмовое число
2. Скорость отбора
3. Работа с узлом отбора

Флегмовое число

В прошлый раз мы произвели ряд расчетов, которые однозначно говорят сколько необходимо отбирать фракций. Самое время воспользоваться этой информацией. Колонну мы уже запустили, и она работает на себя. Время работы в таком режиме составляет около 15 минут. Этого времени более чем достаточно чтобы все фракции выстроились и пришли в состояние равновесия. В ходе такой стабилизации флегма непрерывно циркулирует внутри колонны орошая находящиеся внутри насадки. Количество флегмы в данном случае определяет эффективность колонны в целом. Так в случае работы колонны на себя эффективность колонны (эффективность разделения) абсолютна. Если же открыть узел отбора и вывести часть флегмы наружу эффективность разделения снизится. В обоих случаях мы воздействуем на т. н. флегмовое число. При работе колонны на себя флегмовое число равно бесконечности. Если же полностью слить всю флегму флегмовое число будет равно нулю.

Флегмовое число — это отношение дистиллята, возвращаемого в куб к дистилляту отбираемому. Запишем это правило в виде формулы:

V=R/E

Где:

R — флегма возвращаемая в куб

E — флегма уходящая в отбор

При работе с колонной важно учитывать правило, согласно которому флегмовое число должно быть больше или равно 3. Это говорит нам о том, что из 4х частей дистиллята, циркулирующего в колонне, мы можем отобрать всего одну. Вся остальная флегма должна находиться внутри колонны.

Скорость отбора

Еще одной важнейшей характеристикой ректификации выступает скорость отбора. Для того чтобы ее правильно посчитать важно помнить несколько важных особенностей.

В первую очередь следует помнить, что 1 кВт мощности на плите — это испарение 3,9 кг. Спиртовых паров. Согласовывая это число с правилом флегмового числа (¼ поступающая в отбор) можно легко определить скорость отбора для подобной мощности плиты: 1л/час.

Если мощность плиты установить на более высокий уровень скажем на 1,3 кВт следует отбирать продукт со скоростью 1,3 л/час.

Может показаться что данные расчеты являются пустой тратой времени, однако это не так. Зная скорость отбора и зная объем продукта, который планируется отобрать можно вычислить количество времени, которое понадобится для перегонки.

В прошлой части обзора мы вычислили объем спирта, который можно собрать с одной перегонки. В нашем случае получилась величина 5687 мл. Отталкиваясь от нее, а также от скорости отбора продукта 1,3 л/час (1300 мл/час) мы можем определить количество времени для перегонки: 5687/1300=4,3 часа.

Работа с узлом отбора

Как только колонна поработала на себя можно приступать к отбору. Мы рассмотрим вариант отбора по жидкости, ибо данный вариант более распространен. Вначале слегка приоткрываем кран. Все что собралось в узле начинает выходить наружу.

Согласно нашим более ранним расчетам (см предыдущую часть обзора) нам нужно отобрать 262 мл. Это наша головная фракция.

Кран нужно отрегулировать так чтобы выход продукта осуществлялся со скоростью 1 капля в секунду. В таком режиме мы отбираем 1/3 нашего объема голов. Для простоты можно округлить значение 262 до 300. Так будет проще.

Отобрав первые 100 мл. Кран следует подрегулировать до скорости 2 капли в секунду. Отобрав их, следует еще больше открыть кран до 3 капель в секунду.

Теперь, когда все головы отобраны шланг следует отправить в другую емкость. На данном этапе скорость может составлять 4-5 капель в секунду. В таком режиме мы отбираем промежуточную фракцию (подголовники). Если вернуться к нашим цифрам из предыдущей части обзора объем подголовников составляет 437,5 мл. Их мы и будем отбирать подобным образом.

На данном этапе мы закончили отбирать головы и начинаем отбирать основное тело. Вновь нужно приоткрыть узел отбора. Таким образом мы еще больше ускоряем процесс отбора. Теперь это уже небольшая струйка. В таком режиме будет осуществляться дальнейший отбор. Важно здесь следить за показаниями термометра. Их следует держать в уме. На протяжении отбора показания не должны колебаться более 0,1. Зная эту особенность можно еще больше открыть кран на узле. Смысл такой регулировки — получить наиболее высокую скорость отбора, но при этом не нарушив процесс в колонне.

Вывод

Мы рассмотрели процесс отбора головных фракций, а также основного тела. В обоих случаях это делалось при помощи узла отбора. Также мы рассказали о скорости отбора и о роли флегмового числа. В следующем обзоре мы расскажем о хвостовых фракциях и о том, как их правильно отбирать.

Отношение
количества кмолей флегмы Ф,
приходящихся на 1 кмоль отбираемого
дистиллята Р,
называют флегмовым
числом
R
(т.е. R=Ф/Р).
Понятие о флегмовом числе введено для
удобства анализа и расчета процесса
ректификации.

Практически
флегмовое число не бывает задано, и при
расчетах ректификационных колонн надо
правильно это число подобрать. Между
флегмовым числом и числом ступеней
изменения концентраций существует
определенная зависимость.

Минимальное
значение флегмового числа

графически определяется так: из точки
а
(на
диагонали диаграммы), имеющей абсциссу

, проводят прямую через точку

пересечение линии

с
кривой равновесия, до пересечения с
ординатой в точке

.
Подставляя полученное (по масштабу)
значение отрезка

в уравнение

,
получают минимальное значение флегмового
числа

Минимальное
значение флегмового числа можно найти
и аналитически. Из диаграммы следует,
что

откуда

Если
бы линии рабочих концентраций пересекались
в точке

на
диагонали диаграммы, т.е. если бы
направление линий рабочих концентраций
совпадало с диагональю диаграммы, то
отрезок на оси ординат В=0
и по уравнению

флегмовое число должно бы быть бесконечно
большим. При этом число ступеней изменение
концентраций было бы минимальным.
Практически такой случай может иметь
место при работе ректификационной
колонны без отбора дистиллята, т.е.
количество пара, протекающего снизу
вверх по колонне = флегмовому числу.

На
практике линии рабочих концентраций
должны пересекаться на диаграмме в
точке

,
лежащей по линии

ниже
кривой равновесия и выше диагонали, и
действительное флегмовое число должно
быть больше минимального. В зависимости
от условий ректификации и свойств
разделяемой смеси ректификационные
колонны работают при флегмовом числе

(рабочее(действительное)
число флегмы) где


_.
При
расчетах ректификационных колонн
рабочее число флегмы часто определяется
по формуле

_.
Характер зависимости между флегмовым
числом

и
числом ступеней изменения концентрации

колонны показан на рисунке

Действительное
флегмовое число определяют, строя такую
зависимость для заданных условий
перегонки. Из графика видно, что, начиная
с некоторой величины

,
дальнейшее уменьшение флегмового числа
проводит к резкому увеличению числа
ступеней изменения концентрации. Поэтому
на кривой выбирают точку М,
лежащую в непосредственной близости
от участка, соответствующего указанному
выше возрастанию числа ступеней изменения
концентрации.

Во
всех случаях при выборе флегмового
числа необходимо учесть, что с увеличением
флегмового числа число изменения
концентрации, а следовательно, и высота
колонны уменьшается, но при этом
пропорционально возрастает расход
тепла на ректификацию, и, наоборот, с
уменьшением флегмового числа расход
тепла соответственно уменьшается, но
при этом колонна должна иметь большее
число ступеней изменения концентрации
или большую высоту.

39. Перегонка с дефлигмацией. Многократная перегонка.

Обычно
дефлегматор устанавливают выше верха
колонны, для того чтобы флегма стекла
в колонну самотеком.

а
– с полной конденсацией и подачей флегмы
самотек; б
– с полной конденсацией и подачей флегмы
насоса; в
– с частичной конденсацией пара.

Если
высота колонны велика, то для удобства
ее обслуживания и снижения высоты здания
дефлегматор устанавливают ниже верха
колонны (рис б).
В этом случае для подачи флегмы на
орошение колонны необходима установка
дополнительного насоса. Иногда дефлегматор
встраивают в верху колонны (рис в).
При этом из колонны выходят пары в
количестве, равном количеству дистиллята.
Для обеспечения образования восходящего
по колонне потока пара используют
различные по устройству кипятильники,
которые встраиваются внутрь колонны
(рис 1) или делают выносными (рис 2).

Последний
вариант на практике встречается чаще,
так как в этом случае облегчаются ремонт
и замена кипятильника. Такие кипятильники
обычно устанавливают ниже колонны для
улучшения естественной циркуляции
кубового жидкости.

41,Периодическая
ректификация
В
производствах небольшого масштаба
используются ректификационные установки
периодического действия

Схема
периодически действующей ректификационной
установки

1
— куб; 2 — ректификационная колон­на;
3 — дефлегматор; 4 — делитель флегмы;5 —
холодильник; 6 — сборни­ки дистиллята.

Исходную
смесь загружают в куб 1, снабженный
нагревательным устройством. Смесь
подогревается до кипения и ее пары
поступают под нижнюю тарелку
ректификационной колонны 2. Подни­маясь
по колонне, пары обогащаются НК, которым
обедняется стекаю­щая вниз флегма,
поступающая из дефлегматора 3 на верхнюю
тарелку колонны. Пары из колонны
направляются в дефлегматор 3, где они
пол­ностью или частично конденсируются.
В случае полной конденсации жид­кость
разделяется с помощью делителя 4 на
флегму и дистиллят. Конеч­ный продукт
(дистиллят) охлаждают в холодильнике 5
и направляют в сборники 6.

После
того как достигнут заданный состав
остатка в кубе (об этом су­дят по
температуре кипения жидкости в нем)
остаток сливают, загружают куб исходной
смесью и операцию повторяют.

4
2,Установки
специальной ректификации
В
отличие от бинарных смесей–систем,
обладающих лишь двумя степенями свободы,
многокомпонентная смесь представляет
собой систему, число степеней, свободы
которой равно числу компонентов,
составляющих эту смесь. В случае же
разделения многокомпонентной смеси
состоящей из n
компонентов и имеющей n
степеней свободы, при задании указанных
выше двух параметров остаются неизвестными
еще n
– 2 степени свободы. Поэтому содержание
остальных компонентов в дистилляте
можно найти только подбором, учитывая,
что существует ряд смесей различного
состава, которые при данном давлении
имеют одинаковую температуру кипения.
Многокомпонентную смесь нельзя разделить
в одной колонне подобно бинарной смеси.
В общем случае число колонн для
ректификации многокомпонентной смеси
должно быть на одну меньше, чем число
компонентов, на которые разделяется
смесь, т. е. для разделения смеси из n
компонентов требуется – 1 колонна. На
рис. 1.6 в колонне 1 наименее летучий из
компонентов (компонент С) отделяют в
виде остатка. Другие два компонента (В
и А), отводимые в качестве дистиллята,
после конденсации поступают в колонну
2, где разделяются на дистиллят (компонент
А) и остаток (компонент В менее летучий,
чем А). Более экономична подача компонентов
А+ В в колонну 2 в парообразном состоянии;
при этом в дефлегматоре первой колонны
конденсируется только флегма, необходимая
для орошения колонны. Схемы установок
для ректификации трехкомпонентных
смесей Компоненты
А и В более летучи, чем компонент С.
Специальные виды ректификации. Предельным
случаем близкокипящих смесей являются
нераздельно кипящие, или азеотропные,
смеси, для которых α=1.
Чтобы разде­лить эти смеси, нужно
значительно изменять давление, что
связано с ус­ложнением и удорожанием
установки. Относительно дорогим способом
разделения азеотропных смесей является
также молекулярная дистилляция . В ряде
случаев более эффективны такие методы
разделения азеотропных смесей, которые
основаны на введении в разделяемую
смесь добавочного компонента, так
называемого разделяющего агента,
обладающего избирательным действием.
При его добавлении летучесть и коэффициент
активности для низкокипящего компонента
возрастают значительно больше, чем для
высококипящего, что и облегчает разделение
смеси. Применяя различные разделяющие
агенты и подбирая их концентрацию, можно
изменять в широких пределах относительные
летучести компонентов исходной смеси
и соответственно распределение ее
компонентов между жидкостью и паром.
Проведение процессов ректификации в
присутствии разделяющих агентов является
общим признаком методов экстрактивной
и азеотропной ректификации. Вместе с
тем эти методы существенно отличаются
друг от друга. При азеотропной ректификации
разделяющий агент образовывает
азеотропную смесь с одним или несколькими
компонентами исходной смеси, в виде
которой он отгоняется из ректификационной
колонны в качестве дистиллята. При
экстрактивной ректификации разделяющий
агент должен обладать значительно
меньшей относительной летучестью, чем
компоненты исходной смеси, и не
образовывать с ними азеотропных смесей.
Он отводится из колонны с кубовым
остатком.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Изначально, такие понятия, как флегма, флегмовое число были известны и активно использовались химиками, которые работали с технологией ректификации в промышленных масштабах. Начинающий и даже средний по уровню самогонщик не имел никакого представления об этих терминах. Они ему просто не были нужно. Но все изменилось, когда частные мастера стали применять ректификационные колонны для получения спирта, алкогольных напитков. По этой причине необходимо внести ясность в терминологию

Что такое ректификационная колонна

Если говорить не о промышленном производстве, а о домашнем любительском приготовлении алкогольных напитков, то под ректификационной колонной подразумевают оборудование, которое отличается от традиционных самогонных аппаратов возможностью получить спирт с высокой степенью очистки от посторонних примесей.

Ректификационная колонна выполнена в виде трубки (цанги), сделанной из нержавеющей стали, что необходимо для предотвращения влияния циркулирующих по ней паров и жидкостей, которые способны вызвать начало коррозионных процессов и выход из строя оборудования. Внутри размещаются (в зависимости от модели) призматические и регулярные насадки, их комбинированная версия, дополнительные элементы в виде колец Рашига, керамических или стеклянных шариков. Эти компоненты требуются для улучшения условий, при которых происходит тепломассообменная реакция.

Основное назначение оборудование — получение ректифицированного спирта с минимум примесей, которые не окажут влияние на вкус алкогольных напитков, приготовление которых планируется дальше.

Особенности процесса ректификации

Принцип работы домашней ректификационной колонны основан на повторной перегонке спирта-сырца, который был получен из исходной браги. Ректификатор устанавливается в вертикальном положении на кубе с сырьем, включается ТЭН или обеспечивается нагрев другим способом.

При повышении температуры начинают испаряться наиболее летучие фракции спиртосодержащего продукта, которые по цанге попадают в дефлегматор, совмещенный с узлом отбора наиболее чистого дистиллята.

На выходе получают только более качественный ректификат, остальная часть жидкости, в которой еще есть содержание спирта, поступает обратно в перегонный куб. Взаимодействие с поднимающимся паром обеспечивает интенсивность происходящих теплообменных процессов, необходимых для дальнейшей перегонки.

Флегма в ректификации

Флегмой называют жидкую фракцию продуктов перегонки, которая не поступает на выдачу в качестве ректификата, а возвращается обратно в перегонный куб. Не стоит недооценивать важность этой составляющей, от нее будет зависеть крепость спирта-ректификата, его чистота. Если оставить регулирование этого показателя на самотек, рискуете получить чуть более крепкий самогон, а не продукт, качество которого позволит получить достойные самодельные алкогольные напитки с нормальными вкусовыми характеристиками.

Что такое флегмовое число и его расчет

Это показатель, который зависит от высоты колонны, ее конструкции, типа применяемых насадок и ряда других физических показателей, среди которых выделим:

• Массовый расход пара и жидкости.
• Тепловая мощность оборудования.
• Масса получаемого дистиллята и объем флегмы, которая возвращается в перегонный куб.

Если не вдаваться в сложные расчеты, то флегмовое число (V) представляет собой соотношение флегмы, которая вернулась в перегонный куб, к количеству полученного дистиллята.

V = R/E

Где:

R — флегма возвращаемая в куб

E — флегма уходящая в отбор

Cогласно правилу, флегмовое число должно быть больше или равно 3, т.е. из 4х частей дистиллята, циркулирующего в колонне, мы можем отобрать всего одну. Вся остальная флегма должна находиться внутри колонны.

Регулируя отбор товарного продукта, можно добиться получения спирта с разным качеством и содержанием посторонних примесей. Обратите внимание — чем больше мощность нагрева, тем ниже будет флегмовое число. Если добиться полного отбора сконденсированных паров, то количество флегмы стремится к нулю, что нарушает параметры тепломассообменной реакции и не позволит получить продукт должного качества.

В качестве итога подчеркнем, что величина флегмового числа зависит от особенностей конструкции системы, объема жидкости и паров, которые в ней циркулируют, поэтому универсальных рекомендаций для винокурения не существует. Все определяется опытным путем с учетом используемых колонн, способа нагрева перегонного куба.