Закон Рауля и следствия из него

Еще раз об этом законе. В 1882 г. французский физик и химик Франсуа Мари Рауль установил зависимость парциального давления компонента над раствором от его концентрации в жидкой фазе. Эта зависимость и известна сегодня как закон Рауля.

Парциальное давление компонента раствора прямо пропорционально его мольной доле в растворе, причем коэффициент пропорциональности равен давлению насыщенного пара чистого компонента.

Парциальное давление - это такое давление, которое оказывает какой-то компонент в смеси, если бы он занимал весь объем, который занимает смесь (закон Дальтона).

Итак, математика начинается прям сразу. Чтобы было проще, давайте назовем термины буквами:

Р - общее давление насыщенного пара
р1 - парциальные давления низкокипящего компонента (НКК, его индекс 1)
р2 - парциальные давления высококипящего компонента (ВКК, его индекс 2)
Р1 - давление насыщенного пара чистого НКК
Р2 - давление насыщенного пара чистого ВКК
х - мольная доля НКК в жидкости
у - мольная доля НКК в паре.

Итак, математически закон выглядит вот так:

Т.к. парциальное давление НКК (р1) - это общее давление умноженное на долю этого компонента в паре, то наши уравнения несколько меняются:

Что это значит? Доля НКК в паре ВСЕГДА будет выше, чем в жидкости. Собственно, потому то и возможен процесс разделения смеси веществ с разными температурами кипения. И это будет работать и для спирта с водой, и для примесей, и для вообще всего.

Эти значения нам еще очень сильно пригодятся в дальнейшем. А пока вернемся к картинкам.

Равновесие пара и жидкости

Диаграмма фазового равновесия, которую мы разбирали вчера - это прямое следствие из закона Рауля и Дальтона, описанных выше. Общий график, напомню, выглядит примерно так:

Красная линия на такой диаграмме - это линия конденсации, а синяя - кипения. Кстати, правильное название таких линий - изобары, т.к. они строятся при постоянном давлении в системе.

Итак, если мы возьмем некую произвольную концентрацию х и доведем до температуры кипения Тх (пересечение с линией кипения), то получим пар с составом, соответствующий составу у.

Красная и синяя линии (изобары) строятся как раз по тем уравнениям, что мы описали выше. Если записать эти принципы построения математически, мы получим такое вот уравнение:

где, Р - общее давление, р1 и р2 - парциальные давления компонентов, х - мольная доля НКК в жидкости, а Р1 и Р2 - давления насыщенного пара для чистых компонентов.
Если мы разделим все уравнение на общее давление, то мы получим такое вот равенство:

Такое уравнение позволяет нам найти температуру начала кипения или окончания конденсации пара и называется уравнением изотермы жидкой фазы.

Если из уравнений выше для доли в паре выразить х, то мы получим другое уравнение:

Такое уравнение позволяет нам найти температуру конца кипения или начала конденсации пара и называется уравнением изотермы паровой фазы.

Пойдем еще дальше! Найдем зависимость состава пара у от состава жидкости х. В целом, мы его итак знаем и получили его раньше:

Но общее давление пара мы не знаем, зато знаем давления чистых веществ. Тогда получается, что это уравнение можно записать вот так:

Попробуем избавиться в этом уравнении от Р2, что в целом не сложно - мы можем поделить числитель и знаменатель на Р2. Получим вот такой вид:

По сути, отношение Р1 к Р2 - это некий коэффициент относительной летучести, который нам показывает, во сколько раз НКК более летучий, чем ВКК. Давайте назовем это соотношение греческой буквой α и тогда все наше уравнение примет вид:

Сейчас самое время сделать перерыв, ибо обычно мозг перегревается от такого объема математики сразу.

И теперь, когда я полностью вынес ваш мозг, настало время спросить - а нахрена все вот эти математические изыскания?

А вот зачем. Если мы построим это уравнение в виде графика, то мы получим вот такой вид:

Скорее всего вы уже видели эту диаграмму. Она - ключевая точка для всех наших дальнейших рассуждений и секретный ключ в получении качественного и очень чистого спирта. На такой диаграмме мы сразу можем видеть состав пара, который будем получать при перегонке жидкости определенной концентрации, что сильно упрощает жизнь и открывает много новых вопросов.
Но пока отложим ее в сторону и поговорим о перегонке.

Флегма и дефлегмация

Все это время мы забирали из куба жидкость, т.е. концентрация высококипящего росла, а низкокипящего уменьшалась. А что будет, если мы будем возвращать жидкость обратно в систему? Вспоминаем суть фазового равновесия - сколько переходит в пар, столько из пара переходит обратно в жидкость. Если мы будем конденсировать весь пар и возвращать его обратно в систему, мы тоже получим равновесие, т.к. никакой из компонентов смеси не покидает системы. На диаграмме это будет выглядеть как цикл: жидкость состава х кипит, образуется пар состава y, конденсируется и возвращается в куб, возвращая прежнее количество компонентов в систему.

Т.е. по сути, мы получили некую стабильную среду, пусть и кипяще-конденсирующую. Жидкость, которую мы возвращаем в куб называют флегмой (флегма, кстати, с греческого переводится как "слизь"). Обозначим ее, на будущее, буквой Ф.

Теперь представим, что мы забираем из системы только часть дистиллята, который сконденсировали, а все остальное сливаем обратно. На графике это будет выглядеть примерно так:

Процесс возврата части конденсата обратно в систему называется дефлегмацией (если переводить дословно - "удалением слизи"). А отношение АВ к ВС называется флегмовым числом. Такое соотношение характеризует количество возвращаемой в систему флегмы к количеству отобранного дистиллята:

Этот показатель - один из самых важных и крайне пригодится нам в дальнейшем.

Теоретические ступени разделения

Все время мы с вами рассматривали процесс постепенного испарения, т.е. мы грели раствори оттуда улетал НКК. Настало время разобраться, что же за зверь такой, ректификация и почему тут так много математики.

Итак, если мы представим обычную дистилляцию на кривой равновесия фаз, то это будет выглядеть примерно так:

Т.е. если мы перегоним полученную жидкость снова без разбавления, мы получим пар с еще большей концентрацией НКК, затем повторим эту процедуру - и снова получим еще более концентрированный пар... На графике это будет выглядеть примерно так:

Т.к. линии в данном графике показывают равновесные состояния, по сути, каждая такая ступенька - это одна однократная перегонка. Такую ступеньку называют теоретической ступенью разделения или теоретической тарелкой. Это модель, которая позволяет охарактеризовать максимальную, теоретически возможную разницу концентраций компонентов (НКК и ВКК) в фазах при заданных условиях. Почему "тарелка" - расскажу позже.

Это понятие, пожалуй, одно из самых важных в дистилляции и вот почему. Модель позволяет подобрать фазу или условия, при которых концентрация ключевого компонента в приемнике будет выше, чем в источнике и на основании опытных данных рассчитать эту концентрацию, после чего становится возможным расчет необходимого количества теоретических тарелок (теоретических ступеней разделения) для достижения поставленной цели процесса. Т.е. мы можем поставить конкретную цель в требуемой нам концентрации НКК и точно понять, сколько таких ступеней нам нужно, чтобы этого достичь. А зная и понимая логику массообменных процессов можно легко перевести теоретические тарелки в реальные ступени разделения и возможен за счет многократной перегонки и ректификации. Но два этих процесса, все же, разные.

Однократная и многократная перегонка

Итак, с постепенной перегонкой все понятно - греем, летит, конденсируем, получаем дистиллят заданной крепости. Но что если... мы будем использовать в качестве нагревателя... сам пар? Ведь он тоже имеет энергию, которую передаст молекулам НКК, которые покинут раствор и образуют пар. Просто этого пара будет меньше (т.к. энергии мы сообщим меньше) и вылетят только те молекулы, которые были достаточно быстрыми (или, по-умному, те, коэффициент летучести которых наивысший в заданных условиях). Тут, правда, есть загвоздка - технически, нам нужно одновременно иметь и жидкость-дистиллят с одной ступени, и пар, который эту жижу будет греть, унося с собой самые летучие молекулы. Но... как?

Пофантазируем. Представим, что мы всю нашу брагу греем не в кубе с пространством сверху раствора и отводом пара, а пропускаем ее через змеевик, который расположен в нагревателе. Свободного пространства, где бы образовывался пар нет, равновесия пар-жидкость тоже нет в чистом виде, все компоненты просто повышают свою энергию до такого состояния, что пар и жидкость становятся чем-то единым. Мы получаем перегретую жидкость, у компонентов которой энергия давно перешла за точку кипения. Они бы и рады свалить, да не могут - нет возможности. Что будет, если мы после змеевика поставим большой бак (сепаратор), внутри которого ничего не будет? А будет происходить вот что:

Такой процесс называется однократным испарением и, как видно, его разделяющая способность не самая хорошая (пожалуй, даже отвратительная). Но он быстрый, а, самое главное, мы получаем перегретый пар, который может может использоваться дальше. Спрашивается, зачем перегревать? Испарение - процесс, происходящий с поглощением теплоты. Это куб мы постоянно подогреваем, сообщая ему энергию снизу. В случае змеевика и такого охлаждения мы энергию сообщить так просто уже не сможем.

Если мы повторим этот процесс многократно, в каждой последующей емкости будут скапливаться все более летучие компоненты, а остаток будет насыщаться менее летучими. Мы получили процесс многократного испарения, причем каждый раз в сепараторе мы будем иметь все более разделенные смеси. Важно - не концентрированные, а разделенные.

Мозг начинает ломаться? Отлично, так и задумано. И ломается он, скорее всего, вот почему: мы воспринимаем процесс дистилляции как процесс КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ СПИРТА, т.е. как увеличение концентрации НКК, так нам необходимого. Но это хорошо работает, когда смесь бинарная и состоит только из спирта и воды. В реальности нам нужно ОЧИСТИТЬ нужным нам спирт от сотен примесей, РАЗДЕЛИТЬ РАСТВОР НА КОМПОНЕНТЫ, выбрать только один нам нужный, и, желательно, за один раз.

Т.е. мы должны учитывать целую кучу таких диаграмм состояний между примесями и спиртом, водой, друг другом, равновесные процессы и фазовые переходы у веществ, но фактически, все, что мы можем контролировать - это температура. Все. Больше у нас ничего не под контролем при классической перегонке. И нам как-то нужно отделить те компоненты, которые летят легче, чем наш спирт при заданной концентрации, потом те, что вместе с ним, потом те, что после него. При обычном постепенном нагреве становится невозможно разделить спирт без продажи души кому-то с рогами и хвостом.

И тут нам на помощь приходит наука! Вот зачем нужны эти странные однократные и многократные испарения! Они позволяют получить отдельные фракции, которые будут насыщенны тем, что имеет сходный коэффициент летучести в данных условиях. Представьте, что вам нужно разделить не брагу, а смесь круп: гороха, бобов, гречи, манной крупы, кукурузной крупы, пшена и риса. И еще киноа туда бахнем и булгур. Как это сделать?

Можно сидеть и перебирать все последовательно, шаг за шагом, отделяя в каждую чашечку отдельные крупинки. А можно просеять все через набор сит, каждое из которых меньше предыдущего. Просеяв, мы получим те самые фракции, сходные по размеру. Но их будет меньше и мы можем легче отделить зерна друг от друга - остальные не будут мешаться и "замыливать" глаз.
Вернемся к нашей реальности и грязненьким растворам спирта. Итак, мы знаем две вещи на данный момент: если многократно сепарировать жидкость за счет адиабатического охлаждения (так это по умному называется), то она начнет разделяться на фракции, но важно фракции как-то отделять друг от друга; и что если мы будем возвращать часть сконденсированного пара, т.е. флегму, в систему, отбирая лишь малую часть дистиллята, мы увеличим степень разделения. Осталось все это объединить в кучу и облачить во что-то техническое.

Я думаю, вы поняли - мы пришли к процессу ректификации.

Ректификация

Ну наконец-то. Ура!

Итак,
Ректификация — разделение жидких смесей на практически чистые компоненты, различающиеся температурами кипения, путём многократного частичного испарения жидкости и частичной конденсации паров.

Как это работает?

Мы мы перегреваем нашу смесь ужа с ежом и пускаем ее в изолированную от внешнего воздействия трубу (чтобы не было тепломассообмена с окружающей средой), внутри которой нужно как-то технически создать зоны, которые будут соответствовать тому самому адиабатическому холодильнику или элементарной ступени разделения. Например, горизонтальной перегородкой. Перегородка эта должна быть дырявой, иначе пар сквозь нее не пройдет.

Наш перегретый пар начинает проходить сквозь отверстия в наших перегородках и терять энергию за счет испарения легколетучего и конденсации плохо летучего. С каждой новой зоной у нас будут конденсироваться все больше и больше фракций, которые уже не могут лететь дальше - силенок не хватает и проще уже сидеть на пятой точке ровно и на конкретном уровне. До верха, при этом, долетят только самые стойкие и энергичные молекулы. Тут-то мы и включаем холодильник, конденсируем этот пар и отправляем в виде душа обратно в систему, т.е. создаем поток флегмы в противоток потоку пара.

Что произойдет? Флегма будет стекать сверху вниз, постоянно встречаясь с се более разогретым паром и будет забирать часть его энергии. Соответственно, какие-то молекулы из флегмы решат не дожидаться конца трубы и свалят наверх вместе с горячим и так симпатичным им паром, т.е. перегретыми молекулами, которые с удовольствием, как браться-хиппи, делятся своей энергией с товарищами. На самом верху у пара мы зло отбираем всю энергию и превращаем его во флегму, внутри которой уже больше легколетучих молекул, чем плохолетучих. А из флегмы, в самый низ, в куб, стекают самые тяжелые на подъем соединения с самым низким коэффициентом летучести. Плюс часть веществ даже не долетит до холодильника, предпочитая остаться на конкретном уровне.

Оставив систему в таком состоянии на некоторое время и исключив (минимизировав) потери теплоты, мы придем к состоянию равновесия, когда состав флегмы, состав конденсата на каждом уровне и все массопотоки будут стабильными. Если таких уровней будет достаточно много, мы можем найти такой уровень, на котором будет конденсироваться максимально чистый компонент, требуемый нам. Теперь его можно понемногу отбирать из системы, дабы не нарушить состояния равновесия.

Ура! Осталось понять, как же понять, сколько таких уровней нам нужно сделать в трубе, чтобы получить необходимый нам по степени разделения продукт.

Расчеты ректификации

И упремся мы в уже знакомое нам понятие - теоретическая степень разделения или теоретическая тарелка. Кстати, тарелкой она называется ровно потому, что первые ректификационные колонны имели как раз тарельчатую конструкцию, т.е. горизонтальные дырявые разделители, очень похожие на обычную тарелку для еды. Как-то так и прижилось.

Итак, сейчас нам снова понадобится математика и, заодно, введем новые термины.

Начнем с последних. Пусть:

F - количество исходного раствора спирта и воды,
D - количество отобранного дистиллята,
W - количество остатка после дистилляции в кубе
х- доля НКК (f - в исходном растворе, d - в дистилляте, w - в остатке после перегонки)

Включив логику, не сложно получить вот такое уравнение, которое еще называют уравнением материального баланса:

Умножив соответствующее количество на долю конкретного компонента (а нас интересует НКК), получим это же уравнение для спирта в системе:

Первое уравнение, что логично, можно назвать полным материальным балансом колонны, т.е. по всем веществам в системе. А второе - уже по требуемому нам НКК, который, в большей степени ушел в дистиллят, а малая часть его осталась в остатке в кубе.

Но простым балансом ограничиться не получится. Мы имеем дело с паром, который динамически летит вверх. Резонно, что если пара будет много, он будет быстрее протекать через отверстия в тарелках, сдвигая равновесие за счет сообщения молекулам бОльшего количества энергии. Логично, и наоборот тоже будет работать. Чтобы это учесть в будущем, давайте введем новое обозначение:

G - расход пара по колонне (или скорость протекания пара)

Если мы чуть пристальнее рассмотрим верх колонны (условно, то картинка будет выглядеть примерно так:

Пар G делится в дефлегматоре на флегму и дистиллят, а флегма возвращается в систему. Все логично. Если записать уравнение материального баланса для такой системы, то все будет вполне логично:

Но нам-то важен НКК, подставим его в это уравнение:

Если мы заменим G во втором уравнении на сумму из первого, то получим такое равенство

А потом поделим все это на D:

А чуть выше мы уже разбирали, что количество флегмы деленое на количество дистиллята - это флегмовое число! Тогда получается:

Теперь у нас есть интересная возможность выразить у через х, тоже самое, что мы делали когда строили диаграмму равновесия пара и жидкости ,т.е. построить зависимость концентрации в паре от жидкости и флегмового числа. Эта зависимость покажет нам реальное положение дел и составы поднимающегося пара и стекающей флегмы для любого диаметра колонны (пока это соотношение у нас было просто у=х, что далеко от реальности) и называется оно уравнением рабочей линии верхней части колонны:

С точки зрения алгебры, это уравнение линейное, причем через начало координат оно проходить не будет из-за коэффициентов.

Если мы решим такое уравнение и нанесем на знакомый нам график, то получится вот такая интересная линия:

Причем видно, что пересекается диагональ с линией в точке с предельной концентрацией НКК в дистилляте по всей системе (она же будет равна азеотропу спирта).

Ввод сырья и баланс в нижней части колонны

Давайте теперь посмотрим на колонну снизу. Там, кроме потока пара и флегмы, у нас добавится ввод сырья F, а в самом низу будет кубовый остаток W. Схематически это выглядит так:

Чтобы все это работало и корректно выстраивалось равновесие, важно вводить сырье при температуре кипения жидкости. В дальнейшем, для удобства, я буду считать, что это так и происходит.

Т.к. у нас появляется новый поток, его тоже нужно как-то обсчитать и обозначить. Давайте, по аналогии с флегмой, посчитаем отношение количества загружаемого раствора к дистилляту и обозначим буквой U. Называется такое выражение загрузочным отношением и показывает, сколько единиц сырья нужно взять, чтобы получить единицу дистиллята.

Не сложно понять, что загрузочное отношение всегда будет больше 1 и всегда будет больше количества дистиллята, т.к. из ничего дистиллят появляться не может, такого колдунства в нашей вселенной сделать нельзя.

Если построить (уже без выкладок) уравнение материального баланса для нижней части колонны, а затем выразить из него соотношение концентрации НКК в паре через жидкость, то мы получим уравнение рабочей линии нижней части колонны любого сечения:

Давайте его тоже нанесем на нашу диаграмму равновесия и посмотрим, что будет. Как и с предыдущим, это уравнение не будет проходить через точку нуля и будет отклоняться от диагонали, пересекая ее в точке концентрации НКК в кубовом остатке.

А теперь посмотрим. на кой хрен мы все это сделали?

Рабочие линии показывают реальное положение дело и пересекаются в точке, соответствующей... концентрации жидкости в изначально подаваемом в колонну растворе. И именно за счет рабочих линий мы можем корректно отразить теоретические ступени разделения. Выглядеть это будет вот так:

С помощью этого графика проводится расчет числа теоретических тарелок (ТТ), которое требуется для проведения процесса. Число теоретических тарелок определяет число реальных. А от числа реальных тарелок зависит высота колонны. Называется такой метод определения числа ТТ методом Мак-Кеба и Тиле и базируется уже на реальных данных.

Или схематически:

Как влияет сырье на ректификацию

Если с верхней частью все примерно понятно, понятны и теоретические тарелки, то нижняя часть колонны уже сложнее. Поток входящего сырья будет сильно влиять на то, как будут распределяться потоки и, логично, что исходный горячий раствор должен попадать в колонну на каком-то конкретном уровне, чтобы массопотоки максимально эффективно разделяли соединения.
Рабочие линии, а точнее пересечение их с концентрацией будет помогать нам понять, на каком уровне нужно вводить исходный раствор в колонну.

Если концентрация НКК в сырье низкая, то вводить сырье в колонну лучше ближе к нижней части колонны.

Если в изначальном растворе НКК много, его концентрация высокая, то вводить раствор лучше выше середины, ближе к верхней части колонны:

.е. математика действительно решает и помогает минимизировать не только затраты, но и увеличить качество получаемого продукта.

Как управлять ректификацией?

Вообще, учитывая все параметры системы, мы можем управлять процессом через влияние на целый ряд параметров. От нас зависят следующие показатели:

• Концентрация исходного раствора
• Флегмовое число (сколько отбирать дистиллята)
• Длинна пути пара/высота колонны (количество реальных ступеней разделения)
• Сила нагрева исходного раствора
• Ширина колонны
• Площадь эффективного взаимодействия и т.д

Конечно, параметров сильно больше, но эти - ключевые, и давайте разберемся как мы можем через них управлять процессом.

Влияние концентрации НКК

Концентрация напрямую влияет на положение рабочих линий и точку начала ректификации в целом. Плюс, не стоит забывать и про коэффициенты летучести и разделение - не все примеси охотно покидают систему, в которой НКК достаточно концентрирован. На практике это будет означать падение эффективности и увеличение требуемого числа тарелок для качественного разделения смеси на чистые компоненты.

Отбор дистиллята или флегмовое число

Когда мы собираем колонну, возникает нормальное желание получать быстро целевой продукт, а, следовательно, уменьшать это самое число. Но если мы уменьшим его до нуля, т.е. будем забирать все, что попадает в верхнюю часть колонны (весь наш НКК), колонна превратится просто в дистиллятор, т.к. потока флегмы практически не будет и равновесие нарушится. Значит, Должны быть какие-то допустимые пределы этого числа, чтобы все еще сохранять работоспособность колонны, но отбирать максимум продукта.
На самом деле, понять пределы изменения этого числа не сложно - снова нужно обратиться к рабочим линиям и порешать уравнения. Эти расчеты я, пожалуй, пропущу и сразу покажу вам как это понять на все том же графике равновесия:

Иначе говоря, Rmaх - это бесконечное флегмовое число или мы отбираем бесконечно мало дистиллята, а Rmin будет лежать на кривой пара. Т.е. диапазон колоссальный. Так как понять, что хорошо и что плохо?

Флегмовое число зависит, прежде всего, от того, что вы хотите получить и чем оно больше, тем эффективнее будет разделение ввиду увеличении движущей силы. Т.е. чем меньше флегмово число, тем меньше движущая сила разделения и тем большее число теоретических тарелок нам необходимо, следовательно, увеличивается количество реальных тарелок или высота колонны.

Высота колонны

Как уже было сказано в пункте выше, высота колонны напрямую влияет на число теоретических ступеней разделения. Как? Все довольно просто.
Теоретическая тарелка имеет вполне себе конкретный эквивалент в виде высоты, т.к пару необходима некоторая зона, в которой установится равновесие. Почему? Вспоминаем про однократное охлаждение - если наш цилиндр-холодильник будет слишком мал, то не произойдет сеперации жидкости от пара, а, следовательно, не произойдет массообмена и разделения.

Соответственно, между реальными тарелками тоже должна быть какая-то минимальная высота, на которой будет работать адиабатический процесс разделения. Такую высоту называют высотой, эквивалентной теоретической тарелке (ВТТ или ВЭТТ). По сути. ВЭТТ будет прямым физическим параметром, характеризующим реальную разделяющую способность колонны.

Для тарельчатых колонн (т.е. таких, внутри которых есть разделения - тарелки), ВЭТТ определяется исходя из целого спектра параметров, в домашнем винокурении чаще всего всеми параметрами пренебрегают и просто принимают, что 1 обычная тарелка равна 1 теоретической.

Для насадочных колонн (т.е. таких, внутри которых тарелок нет, но засыпано что-то, что увеличивает плошадь поверхности, т.е. "насадка") рассчитать ВЭТТ можно по формуле

где Н - высота насадочной части, а N - количество эффективных теоретических тарелок, которое можно найти четырьмя -пятью путями:

1. По уже знакомому нам графику кривой равновесия пара-жидкости для заданных условий (повлияют на рабочие линии), нужно посчитать количество ступеней для достижения нужного разделения.

2. Если известны мольные доли НКК в начальном сырье и конечном дистилляте (их можно и предположить и пересчитать), то поможет уравнение Феннинга, позволяющее учесть коэффициент относительной летучести, который мы уже обсуждали выше:

Формула только выглядит страшной, но на деле считается очень легко.

3. Воспользоваться онлайн-калькуляторами для ваших параметров колонны.

4. Эмпирически: перегнать смесь и, зная концентрации, пересчитать ВЭТТ.

5. Воспользоваться примерными значениями:

Площадь эффективного взаимодействия

Процесс массообмена между жидкостью (флегмой) и паром - гетерогенный, т.е. будет зависеть от площади контакта. Отсюда вытекает простой и понятный вывод - чем больше площадь контакта, тем лучше разделение. Именно поэтому тарельчатые колонны при той же эффективности разделения уступают в габаритах насадочным.

Сила нагрева

Нагрев напрямую влияет на то, как много пара будет образовываться в колонне и с какой силой поток будет проходить сквозь колонну. От этого напрямую зависит эффективность процесса разделения: слабый поток пара не обеспечит нормального контакта с жидкостью и уменьшит эффективность за счет снижения производительности и скорости массообмена. Слишком сильный поток пара, в свою очередь, может привести к тому, что равновесие не сможет установиться нормально, из-за чего ухудшится степень разделения. К тому же, при высокой скорости пара есть риск "захлебывания" колонны, что приведет к потере равновесия и ректификация превратится в простую перегонку.

Поэтому важно подбирать параметры нагрева такими, чтобы колонна работала стабильно и разделение шло эффективно. Параметр нагрева напрямую связан с пропускной способностью колонны, которая, в свою очередь, зависит от диаметра. К слову, тарельчатые колонны более стабильны при высоких мощностях нагрева, ем аналогичные насадочные.

Диаметр колонны

Диаметр колонны определяет, по сути, скорость протекания пара сквозь колонну и пропускную ее способность. С этим в целом все понятно - чем уже колонна, тем меньше пара она может пропустить без риска захлебнуться и наоборот - широкие колонны способны пропустить довольно приличный поток пара и работать при большей мощности нагрева.

Но кроме того, у диаметра колонны есть и еще один не сразу очевидный фактор влияния: теплообмен с окружающей средой. Дело в том, что в реальности мы имеем дело не с идеальной средой, для которой делают расчеты. Тепло будет рассеиваться со стенок колонны и нарушать равновесное состояние. В этом случае, больший диаметр будет стабильнее и надежнее, чем меньший. Ну и, конечно, именно поэтому важно утеплять колонну снаружи.

Заключение

Что же, статья получилась довольно обширной. Мы разобрали самые важные параметры и суть процесса ректификации, достаточно фундаментально и полно для начинающего винокура.

Вместо долгого заключения, вот вам корректный график кривой равновесия фаз построенный по методу Мак-Кеба и Тиле и позволяющий посчитать количество ТТ для вашего процесса. По нему не сложно понять, начальные и конечные условия и посчитать, сколько же тарелок вам нужно и как их реализовать в жизни.