Управляемое охлаждение при ректификации

[Игорь]

Дима, распиливаю твой пост по одному предложению.

Ладно, оставим практику перейдем к теории.

Заметь, не я это предложил :) Теперь не жалуйся, что я нудный.

Что нам нужно для полноценного отбора голов по пару после дефа?
Чтобы дельта температур в дефлегматоре была минимальна.

Это не единственный критерий, но важный. Только корень нашего взаимонепонимания - в несогласованности терминов. Ты про Ивана, а я - про наркомана. Или наоборот.
В истинном дефлегматоре ( из которого выходит часть пара) можно измерить как минимум ПЯТЬ температур. Загибаем пальцы...
1. Вход воды
2. Выход воды.
3. Вход пара.
4. Выход пара.
5. Возврат флегмы.
У меня пальцы кончились. А у тебя? Если да, то скорее всего мы принадлежим одному виду и рано или поздно прийдем к консенсусу.
Если еще и другие температуры, которые либо условные, которые можно вычислить, но нельзя измерить, либо те, которые ни на что не влияют, и поэтому мало нас интересующие. 
Имея ПЯТЬ температур, можно вычислить как минимум ДВАДЦАТЬ разных дельт. Мы не понимаем друг друга потому, что говорим о разных дельтах.
Ты, судя по всему, говоришь о разности температур воды. А я - о разности средних температур пара и охлаждающей поверхности в зоне конденсации. Дима, это разные дельты.
Кроме того, не менее важно то, что происходит с паром после конденсации.
Если конденсат стекает навстречу пару и имеет такую-же температуру, как и пар, то никаких обменных процессов на его пробеге не произойдет, так как только разность температур является двигателем тепломассообмена.
Не стоит забывать, что и насадочная часть для эффективной работы требует некоторых условий. Например, температура возвращаемой флегмы должна быть близка к температуре пара.

Как этого добиться?

Придется рисовать. На словах долго получается.

[Dimassik]

Нужно исходящую воду через тройник игольчатым краном подмешивать к входящей.

А я о чем талдычу? Только не краником а мембранным микронасосом под присмотром Малыша Карлсона (эх, не прислал Игорь.   :'( )

мембранный китаец будет жутко шуметь на таких оборотах. Если это напрягает,то выход только один,36-ти вольтовый осмосный насос. На таких оборотах насос нежно мурчит

У меня циркуляционники - они даже не мурчат. ;)
Самый громкий звук в лаборатории - щёлканье клапана, хотя трудятся четыре насоса.

[moh1971]

У меня циркуляционники

А что они способны продавить четыре метра шестерки твоего дефа? :o

[Игорь]

Дима, ты предложил, я поддержал.
Теоретизируем.
Наши особенности.
1. Температура пара при проходе через дефлегматор практически не меняется. Азеотроп и на входе, и на выходе.
2. мы хотим пропустить через деф некоторое количество пара, а для этого нам нужно отобрать от него строго определенное количество тепла. Для этого нужно иметь какую-то определенную площадь теплообмена.
Я нарисовал дефлегматор в виде обратного холодильника.
Первый - с достаточной площадью теплообмена, второй - с избыточной.
Разница в том, что в первом - оптимальном, рациональном с точки зрения теплотехники варианте, температура воды в рубашке растет равномерно (я слегка упростил). Поэтому среднюю температуру воды можно вычислить как среднее арифметическое между входом и выходом, а Дельту, которая нас интересует - как разность между температурой пара и этим средним арифметическим.
Второй вариант - нерациональный, избыточный, с перерасходом материалов.
Так как площадь теплообмена избыточна, вода прогревается очень быстро, буквально на верхних сантиметрах рубашки. Поэтому средняя температура температура воды оказывается намного выше.
Дима, этим я проиллюстрировал то, что Дельта в дефлегматоре зависит не только от разности температур на входе и выходе, но и от других условий. При чем зависит сильно.
И это еще не все.

[Dimassik]

У меня циркуляционники

А что они способны продавить четыре метра шестерки твоего дефа? :o

У меня 4.5м восьмёрки.
Как говорит Игорь у меня нерациональный избыточный дефлегматор. :)

[moh1971]

У меня 4.5м восьмёрки.

Все равно я не подозревал что циркуляторники способны продавливать такого формата трубки.

[Dimassik]

У меня два в паре последовательно, при 18 вольтах создают напор в 0.5 атмосферы, больше давать боюсь - посрывает силиконовые шланги. Жду с Китая хомутики, тогда проверю на всю мощь. :)

[Игорь]

По моему предыдущему сообщению можно сделать вывод, что нерационально избыточный дефлегматор - это гарантия успеха.
Увы, это не так.
Давайте рассмотрим что будет если мы поменяем направление ввода воды. На что это повлияет если температуры входа и выхода останутся теми-же.
Если говорить об обычном теплообменнике, то все знают, что встречное движение более эффективно. Но у нас особый случай. Температура пара не изменяется. Поэтому, чисто с точки зрения теплообмена, разницы никакой. Дельта останется одинковой как не переворачивай подачу воды.
И это так, но в нашем случае дельта, которая на рисунке осталась без изменений - не единственный, и далеко не главный фактор.

[Dimassik]

что нерационально избыточный дефлегматор - это гарантия успеха.
Увы, это не так

Эх, а я то уже ручки потирал.   :)
Ну,  думаю Игорь сам себя в тупик загнал. :)

добавлено: 08-11-2021, 11:19:38

Игорь, пока ты меня убедил, что в избыточном дефлегматоре дельта меньше. (Опустим оптимальность, рациональность, перерасход материалов и пр.) Оставим только теорию.

[Игорь]

Дело в том, что в нашем дефлегматоре происходит не только обмен теплом, но и исчезновение одних участников, и появление других.
И важно помнить о цели. Наша цель - не идеально эффективная теплопередача, но и другие моменты, описать которые в одном предложении через запятую у меня не получилось.
Цели буду нумеровать не по степени важности, а чтобы потом ссылаться на цифры.
Первая цель - это максимальное приближение температуры возвращаемой флегмы к температуре пара. Почему - всем известно.
Вторая цель - минимизация взаимодействия сконцентрированных в дефлегматоре примесей, конденсируемых и газообразных, между собой и со спиртом. Новые вещества, которые образуются при таких взаимодействий в микроскопических количествах, не определяются хроматографией, но заметно портят органолептику. Для этого надо по минимизировать паровой объем, не конфликтуя при этом с решение других задач, которые наоборот, требуют увеличения парового объема.
Третья цель касается охлаждения. Как проточное охлаждение, так и автономное, требуют (или просят?) повышения температуры воды на выходе. Тогда и воды расходуется меньше, и насосу живется легче.
Дальше цели разделяются.
Если паровой отбор не предусматривается, цели одни, если предусматривается, то другие. Я снова в тяжелой ситауции. Не хочу рассеивать внимание, поэтому сведу всё в одно руслоЕсли мы не предусматриваем паровой отбор, то имеем такую проблему и, соответственно, задачу.
Так как пар не выходит из ТСА, значит от не доходит до самого верха дефлегматора. Выше уровня его подъема находится воздух с кислородом, который тоже вступает в множественные микро-реакции с парами спирта, примесей и прдуктов их взаимодействия. Все это при ректификации не улучшает спирт, и поэтому должно если не искореняться, то минимизироваться.
Но мы не можем сунуть нос в дефлегматор, и большим пальцем ноги крутить водяной кран чтобы пар поднимался как можно выше :)
Есть путь, о котором знают все. Настроить медленный выход пара из ТСА.
И вот она, моя хитрость... Если пар частично выходит из ТСА, мы приводим к общему знаменателю цели дефлегматоров с паровым отбором и без него. Ведь если что-то капает из ТСА, есть смысл максимально затолкать в эти капли все то, что нам в спирте не нужно. А значит дефлегматор должен иметь как можно высокую собственную разделительную способность.
Третья цель становится актуальной если отбор по пару невелик. Очень важна его непрерывность. Поток пара в любой момент должен быть направлен из дефлегматора. Но если у нас нагрев и охлаждение не стабильны, из ТСА раз в пять секунд может капать капля, и с виду все отлично, но на самом деле в промеутке между каплями воздух может входить в деф и делать свое черное дело. Чтобы это предотвратить, придется стабилизировать не только нагрев, но и охлаждение.
Перекур.

[Игорь]

Ну,  думаю Игорь сам себя в тупик загнал.

Дима, человек, который понимает, что любое действие имеет и положительный, и отрицательный эффект, не может сам себя загнать в тупик. :)
Пользуйся методами математического анализа. Рассматривай фантастически малые или ( в данном случае) немыслимо большие варианты. Чуйка подскажет почему так не стоит, и эта чуйка поможет разобраться и дальше.
Если бы избыточный теплообмен - действительно благо во всех аспектах, то зачем останавливаться на 4,5 метрах восьмерки? Давай возьмем 60 метров трехдюймовой трубы.
Получится супер - идеально?
Я отвлекся. Вернемся к целям

[Игорь]

Четвертая  цель, к которой необходимо стремиться при наличии парового отбора (особенно если мы отбираем головы по пару  или просто "плачем в ТСА" при жидкостном отборе тела) - максимальная разделительная способность дефлегматора. Только в таком случае состав сбрасываемого пара и состав жидкостного отбора будут заметно... существенно... разительно отличаться.
Справедливости ради отмечу, что даже если к этой цели не стремиться, капли ТСА по составу будут заметно отличаться от товарного спирта, но не существенно и не разительно.
Для того, чтобы наладить, повысить эту разделительную способность, нужно:
- сконденсировать основной объем пара повыше;
- температура конденсата наверху должна быть несколько НИЖЕ температуры пара (если конденсат будет иметь температуру пара, он не будет вступать в тепломассообменные реакции с ним, и дополнительного разделения не будет);
- путь и способ движения флегмы по дефлегматору вниз должны обеспечить ему обеспечить ему как можно более плотный контакт с паром;
- нужно минимизировать полумертвые зоны с премиущественным движением пара или флегмы;
-нужно максимизировать (есть такой термин?) температуру воды внизу дефлегматора чтобы вода не мешала прогреву флегмы.
Все это должно обеспечить не только макимальное разделение в дефлегматоре, но и другую цель - максимальное приближение температуры флегмы к температуре пара в конце пробега.

[moh1971]

Обеденный перерыв.

Блин, такой увлекательный сериал, и такие короткие серии :D

[Игорь]

Если сложить все вышеупомянутое в кучу, мы получим образ идеального дефлегматора.

Нет, сначала антирекламный блок.


В другой ветке я только что писал о том, что мои разглагольствования лично мне напоминают навязчивую рекламу. Рассказывая о том, как считаю нужным стабилизировать нагрев, например, я вроде как впариваю свою Росу. Приходится специально указывать, что Росы нет и когда будет - не знаю.
Сейчас, подводя итоги требований к дефлегматору, я вроде как буду пытаться впарить свой дефлегматор.
В этом нет ничего странного. И Роса, и мой деф - не изделие, рожденное в докремлевскую эпоху и тиражируемое по одному образу из века в век, а непрерывно меняющийся продукт, который немедленно следует за изменением моего понимания процесса. Поэтому, описывая как я считаю делать правильно, я волей - неволей рекламирую то, в чем это "правильно" уже воплотил.
Поэтому, никакой рекламы. Я не планирую делать  ни Росы, ни дефлегматоры. Поэтому, как всегда, не делаю из накопленных знаний коммерческой тайны, и трачу время на подробное разъяснение что, как, почему и зачем.
Дима, не паникуй (я знаю!) . Те, коому уже пообещал дефлегматор, сделаю. Дальше - не уверен.

Итак, идеальный дефлегматор.
Требования к конструкции.

Слегка избыточная площадь теплообмена.
Преимущественное движение воды - навстречу пару.
Минимальный объем, при этом достаточная площадь паровых проходов.
Одинаковые размеры паровых проходов, большая площадь стекания флегмы.
Возможно, что-то добавлю.


Требования к режиму работы.
Максимально возможная температура воды на выходе (60 - минимум, 65-70 - оптимальноо).
Температура входящей воды - 35 минимум, оптимально 40, 45 - максимум.
И тут добавлю если что-то забыл.

Про капель из ТСА.
В самом начале ректификации температура входящего в дефлегматор парового потока заметно ниже обычной. Это  происходит благодаря наличию в потоке помимо пара, некоторого количества воздуха. Парциальное давление пара снижено, а значит и температура пара ниже правильной.
Более холодный пар тяжелее сконденсировать. Кроме того, проходя через дефлегматор, воздух препятствует контакту пара с витками, и пар получает возможность в большем количестве дойти до выхода, избежав конденсации.
Поэтому в самом начале дефлегматор может (и должен) плакать больше, чем через час. Имея возможность чтабилизировать охлаждение, можно найти оптимальную температуру на выходе воды из дефлегматора, при которой дефлегматор сильно плачет только в начале, а после стабилизации и до конца плачет равномерно и мало. Потом останется настраивать эту температуру в дальнейшем.

Упс... Малыша прорекламировал... или фанкойл.
Да ладно, их тоже нет. И неизвестно когда будут.

[moh1971]

и до конца плачет равномерно и мало.

Осталось прикинуть сколько по объему голов нужно отбирать? Столько же как в калькуляторе, или может меньше с учетом большей их концентрации.