назад http://www.proza.ru/2017/07/04/132
Ректификационная колонна. Советы коллегам-2
4.Установка оптимального флегмового числа (ФЧ)
Это, пожалуй, наиболее сложный для (правильного) выполнения этап, а значит, чреватый ошибками.
Флегмовое число – это отношение скорости испарения из ИЕ к скорости выхода продукта. (Понятно, что на этапе УР ФЧ=бесконечности (в идеале)) Это название (как и слово «дефлегматор») происходит от слова «флегма», то есть конденсат паров ИМ.
Суть этапа установки ФЧ в том, чтобы после достижения равновесия, посредством уменьшения Рдеф (а значит, и ФЧ), плавно перевести РК в такое состояние, при котором будет обеспечен выход продукта, причём на приемлемой скорости, но при этом РК будет оставаться (практически) в состоянии равновесия. Отсюда понятно, что чем медленнее мы будем нарушать равновесие РК, тем более высокое качество очистки мы получим. Но так в идеале, а что на практике? На практике нужно совершить отгон за конечное время, причём не более допустимого (обычно это приблизительно 4 часа, на 9 л браги)
Поэтому нужно воспроизводить какую-то очень небольшую скорость вывода РК из состояния равновесия (на самом деле квазиравновесия, то есть приблизительного равновесия. Т.к. при точном равновесии продукт наружу не идёт), чтобы отклонение от состояния равновесия существенно не сказывалось на качестве очистки.
Но для данной конструкции РК проблема еще и в том, что она обеспечивает лишь пошаговое уменьшение Рдеф. Это связано с тем, что угол поворота ВГ можно контролировать лишь приблизительно, а именно на половину (180 град), четверть (90), осьмушку (45) оборота. Углы меньше оных можно воспроизводить лишь очень приблизительно.
Другая проблема правильного изменения Рдеф во времени связана с тем, что, поскольку при уменьшении Рдеф каждый градус угла поворота ВГ имеет всё бОльший вес в деле нарушения равновесия РК, то скорость уменьшения Рдеф со временем должна уменьшаться, причём пропорционально самому Рдеф. В итоге, скажут математики, мы получим, что скорость уменьшения Рдеф должна убывать по экспоненте. Но как это обеспечить на практике, и притом при пошаговом уменьшении Рдеф?
Для этого я выработал следующий алгоритм: 4 полуоборота, 4 четверть-оборота, 4 осьмушки оборота. (далее могут добавляться 16-ые части оборота) Понятно, что это лишь схема, и на практике её приходится подправлять, а именно на основе контроля за Тв. Критерий корректности каждого шага установки ФЧ – в том, чтобы в результате данного шага Тв не поднималась (в максимальном своём значении. (Твмакс) Дело в том, что Тв не растёт монотонно, а колеблется. Причём точка равновесия (Твр) постепенно повышается.) более чем на 1 градус. Если это условие не было соблюдено, то следует сделать откат положения ВГ, но на половину величины последнего шага.
Описанный выше алгоритм закрытия ВГ работает только если после этапа УР колонна не попала в нештатный режим. Поэтому иногда приходится применять более гибкий алгоритм закрытия ВГ: повторяй текущий угол поворота, пока не нарушишь правило: Твмакс увеличилась менее чем на 1 оС. В этом случае сделай откат положения ВГ, но на половину последнего поворота. В дальнейшем применяй угол поворота такой же, как и угол отката. Цель отката ВГ, понятно - уменьшить Твмакс и привести его в «рамки»
Еще один нюанс состоит в том, в какой момент на каждом шаге начинать вращение ВГ?
Каков критерий принятия решения по этому вопросу? Минимум возмущения, передаваемого РК.
Выше было сформулировано требование о медленном росте Твмакс в результате совершения очередного шага установки ФЧ. Это и есть показатель, характеризующий величину возмущений РК. Но дело в том, что Твмакс=Твр+АТв, где Атв – амплитуда колебаний Тв.
Таки образом, задача обеспечения минимальности возмущений сводится не только к задаче обеспечения медленного роста Твр, но и неувеличения Атв. Поэтому нужно обсуждать и то, почему Атв на этапе ФЧ может увеличиваться.
В отличие от этапа УР на этапе ФЧ мы уменьшаем Рдеф. А, уменьшая Рдеф, мы уменьшаем нисходящий поток, а значит, даём толчок суммарному потоку в РК вверх. Поэтому природа возникновения колебаний при ФЧ несколько иная, чем при УР. А точнее, колебания естественно возникают при УР, но при ФЧ мы можем увеличить их амплитуду, т.к. к тому, что РК сама себя раскачивает (вверх-вниз), добавляются наши раскачивающие воздействия. Поэтому вопрос здесь сводится к тому, как на этапе ФЧ обеспечить минимум дополнительной раскачки.
Для начала зададимся вопросом а почему в РК вообще возникают колебания Тв? И начнём исследовать этот вопрос с этапа УР.
Вот что понятно: если Тв увеличивается, то наверху СК увеличивается концентрация ВК-компонентов по отношению к НК- компонентам, то есть ВК/НК становится больше. Если же это отношение становится меньше, то Тв уменьшается. При Твмакс это отношение максимально, при Твмин это отношение минимально. А при Твр? Равно 1? Нет, не обязательно, просто оно имеет некое среднее значение, которое и характерно для того, что мы называем равновесием по высоте колонны. Причём это равновесное значение ВК/НК при увеличении высоты уменьшается, т.к. внизу собираюся наиболее ВК-компоненты, над ними – менее ВК и т. д, пока не дойдём до самых НК. (они собираются на самом сверху СК)
Далее, в процессе УР наверху СК происходит увеличение концентрации НК-компонентов, а внизу - увеличение концентрации ВК-компонентов.
Почему же отношение ВК/НК на любой высоте СК (и в любой момент времени) колеблется? Потому что происходит перемещение компонентов относительно друг друга, в целом же при УР суммарный поток (то есть поток всех компонентов) практически равен 0. А перемещение компонентов относительно друг друга имеет место потому, что они по-разному движутся относительно СК.
И, если бы процессы в РК не носили бы (в некоторой степени) стохастический характер (а имеют они его потому, что мы всё-таки имеем дело с поведением ансамбля из большого количества частиц), то на этапе УР происходили бы вполне предсказуемые вещи: НК-компоненты двигались бы ввверх, ВК-компоненты – вниз, но на некоторой высоте задерживались бы и накапливали бы на ей свою максимальную концентрацию (в итоге максимумы распределения концентраций по высоте для каждого компонента заострялись бы) И никаких колебания ВК/НК не было бы.
Но, поскольку молекулы – это не солдаты, которые ходят строем и по команде, а это скорее кошки, которые гуляют сами по себе, то получается, что каждый компонент как бы примеривается к той высоте, которая ему больше (в итоге) приглянется, поэтому и колеблется относительно этой высоты. Но амплитуда этих колебаний в течением процесса УР всё больше уменьшается.)
Совершая очередной шаг ФЧ, мы сообщаем РК извне толчок вверх, то есть дополнительное (к естественному) отрицательное приращение реального нисходящего потока (РНП). Но сразу после этого отрицательное приращение только начинает увеличиваться (по модулю)
Теперь выясним, в какой момент начинать очередной шаг ФЧ наиболее выгодно, с точки зрения «нераскачивания» РК? Лично я это делаю при Твмин.
Какое обоснование для этого решения?
Просто понятно, что Тв при этом возрастёт. Но, поскольку Тв при этом минимальна, то меньше риска, что Тв в итоге подпрыгнет выше Твмакс (прежней), что в итоге «раскачивает» РК.
Если же очередной шаг ФЧ начинаем при Твмакс, то риск раскачивания, понятно, максимальный.
Что произойдёт, если равновесие колонны (характеризуемое Тр) сдвигать слишком быстро? Понятно, что качество равновесия (то есть степень чёткости распределения концентраций компонентов по высоте СК) упадёт (то есть эти распределения станут более «размазанными», а поэтому упадёт и качество очистки) В итоге Тв станет завышенной по отношению к объёму вышедшего на данный момент продукта (Vп=Vг+Vт), по сравнению с нормой. (потому что на данную высоту СК придёт больше более ВК-компонентов) Понятно, что норма соответствия Тв(Vп) – функция относительная, а именно она зависит от желаемой скорости отгона.(vвых) И, чем последняя больше, тем эта функция будет «подниматься вверх».
Понятно, что Тв(Vп) определяется экспериментально, причём при контроле vвых. И для каждой колонны она будет своя.
Функция Тв(Vп) и есть тот инструмент, который позволит предупредить перезанижение ФЧ относительно нормы. А это как минимум нежелательно, т.к. Тв будет расти быстрее, а поэтому наиболее ВК-компоненты быстрее доберутся до выхода из Дф и попадут в выходной поток, что заставит вас, во избежание существенного ухудшения качества продукта, раньше остановить отгон. Стало быть и количество полученного в итоге продукта (Vт) будет меньше. (т.к. часть его останется в ИЕ. Поэтому такая ситуация исправима, в этом случае нужно сделать доотгон, то есть остаток ИМ в ИЕ еще раз отогнать и при этом постараться исключить ситуацию перезанижения ФЧ)
Если же сдвиг равновесия в СК будет происходить слишком медленно (относительно нормы), то получим ситуацию перезавышенного ФЧ. Да, качество очистки будет при этом высокое, но отгон будет идти слишком медленно, поэтому на получением того же Vт вы затратите существенно больше времени. Понятно, что идеальный вариант ректификации – это когда ФЧ -> бесконечность. Но такой вариант и практически неприемлем, т.к за бесконечное время вы получите … Vп=0.
Другой крайний случай – это ФЧ=0. (такое легко получить при Рдеф=0) В итоге ректификация выродится в дистилляцию, а качество очистки станет минимальным. Но зато vп – максимальной.
Поэтому не верьте тем, кто утверждает, что на РК можно получить vп, сравнимую с той, которая получается на примитивных СА, не являющихся РК. Первая будет (при прочих равных условиях) всегда меньше, чем 2-ая. Да, увеличив Рнагр, можно увеличить vп. Но для этого будет и дополнительная цена – увеличение Рохл, сообразное с Рнагр (см. этап УР)
Что же делать, если вы обнаружили, что вы отстаёте (то есть Тв увеличивается быстрее, чем в норме, по отношению к Vп) правильный график отгона? То есть попали в ситуацию перезаниженного ФЧ? Понятно, нужно увеличить Рдеф. (что достигается откручиванием ВГ) Но насколько? Как определить, что вы вышли на правильный график отгона? (то есть на соответствие с нормативной Тв(Vп))
Давайте по порядку. В результате увеличения Рдеф станет уменьшаться Тв. И, как только она придёт в соответствие с Тв(Vп), мы можем констатировать, что вышли на правильный график отгона. Да, возможно, это получится за несколько шагов откручивания ВГ. (которые следует делать столь же медленно, как и шаги закручивания) Да, при этом будет падать vп. Но цель оправдывает средства. Ведь в итоге, но через некоторое время (не моментально, да) в СК установится качественное равновесие, после чего можно станет продолжать уменьшать ФЧ. Как определить, что установлено качественное равновесие? Увы, только по запаху продукта, ибо другие средства не входят в бюджет. Если мы попали в ситуацию заниженного ФЧ, то запах продукта будет насыщен нотками хвостов (и, как правило, это эфирные нотки) Поэтому при откате ФЧ следует добиваться того, чтобы эти нотки ушли. И, если это так, то мы вышли на правильный график отгона. Конечно, это тонкая работа, к тому же требующая подготовки (нужно знать эталонные запахи голов и хвостов) Но кто, если не мы?
Да, вот еще добавочка: поскольку существует нормативное соответствие Тв(Vп), то отсюда понятно, что существует и номативное соответствие Рдеф(Vп). А поэтому нельзя сразу установить правильное (конечное) ФЧ и начинать отгон, не разделяя этапы УР и ФЧ.
вперёд http://www.proza.ru/2017/09/25/127