Диспут о физике, которую кое-кто плохо знает, и о её приложении к ректификации

А что покажут три манометра если один поставить в кубе, другой у дефлегматора, третий в середине трубы в колонне не связанной с атмосферой?Titi, 29 Марта 10, 22:21

Мне все-таки, интересно, как бы ты ответил на этот вопрос?

Titi, интересует вопрос, ответ на который тебе известен? Обычно экзаменуют студентов...  Отвечу, но заметь, что флуд по твоей инициативе. В простом случае показания манометров одинаковы, но есть варианты... Детали ищи в описании опытов Джеймса Ватта с "холодной стенкой".Atar, 30 Марта 10, 15:28

Нет, это не экзамен. Просто нужно было разобраться с движущей силой процесса. Раньше мы всерьез считали, что газ двигает по колонне перепад давлений. Ан...нет.

Titi, Не пойму я тебя все же...Ты же в своем вопросе убрал связь с атмосферой, превратив изобарный процесс в более сложный. У колонны есть связь с атмосферой, т.о. давление в дефлегматоре  не выше атмосферного. Есть насадка, которая сама по себе дроссель, да возвратная флегма, которая этот дроссель увеличивает. Перепад давлений налицо.

Раньше мы всерьез считали, что газ двигает по колонне перепад давлений. Ан...нет.
Titi, 30 Марта 10, 23:38

Я и сейчас так считаю. Заставляешь меня цитировать самого себя.  

Флегма опускается вниз под действием гравитации, преодолевая сопротивление потока пара и межмолекулярное взаимодействие с поверхностью насадки. Пар идет вверх под действием перепада давлений (куб/дефлегматор), преодолевая гравитацию и аэродинамическое сопротивление  смоченной насадки/внутренних стенок колонны.Atar, 20 Марта 10, 11:29

Верну тебя еще раз к первому закону Ньютона. Нет силы,-нет изменения движения (покоя). Есть движение или его изменение,- ищи силу (совокупность сил) это движение (изменение движения) порождающую. Само по себе изменение физическим телом температуры, цвета, массы, цены других качеств не является причиной его движения до тех пор пока что-нибудь не породит силу. В нашем случае нет ЭДС (электродвижущей силы у которой природа другая, не механическая), ее учитывать не станем (пока ).  В двух словах не получится, но я попробую кратко... Греем куб, ( т.е. увеличиваем его температуру), как следствие увеличиваем внутреннюю энергию жидкости, выражающуюся в увеличении кинетической энергии молекул жидкости и того, что в ней находится (взвесь, эмульсия, суспензия). Итак броуновское движение (http://physics.nad.ru/Physics/Cyrillic/brow_txt.htm) в кубе растет по мере роста температуры кубовой жидкости. В какой-то момент некоторые молекулы жидкости накапливают такую кинетическую энергию, что ее хватает на вылет за пределы  границы жидкости. Начинается испарение. По мере нагрева куба количество вылетевших молекул из жидкости растет.  Дальнейший рост внутренней энергии жидкости (мерой внутренней энергии есть температура) приводит к образованию газообразного состояния внутри жидкости. Испарение жидкости по всему объему,-  это и есть кипение. Рассматриваем объем куба над жидкостью. В процессе интенсивного испарения или кипения, количество вылетающих из жидкости молекул становится больше числа возвращающихся назад в жидкость. Вместе с улетевшими молекулами, куб теряет часть эквивалентной энергии, которую запасла молекула. Соударяясь друг с другом молекулы обмениваются импульсами. http://ru.wikipedia.org/wiki/Импульс_тела  Складывать импульсы можно по закону сложения векторов. В результате взаимодействия друг с другом молекулы с большей кинетической энергией "теснят" молекулы с меньшей как игроки в бейсбол во время вбрасывания мяча. Совокупность превышения импульсов более энерговооруженных молекул над менее энерговооруженными  помноженное на площадь, на которой происходит "победа" порождает избыточное давление. В результате разности давлений в разных местах колонны происходит перемещение молекул из областей с большей температурой (а значит и энергией) в области с меньшей температурой. Таким образом "сборища" соударяющихся молекул попадают в зону дефлегматора, т.е. в зону, где температура стенки заведомо меньше температуры конденсации пара. После того, как молекула отдала "свои силы" (энергию) стенке дефлегматора, она (молекула) не может противостоять своим соседям "полным сил". В результате концентрация "слабых" молекул у стенок дефлегматора растет и они обессилив  "объединяются" в более компактное образование с другим агрегатным состоянием, т.е. выпадает роса, . Дальше к капле росы из вещества с большей концентрацией добавляются "инородцы" в виде молекул других веществ (формируется"зародыш" флегмы), объем капли росы увеличивается и как только вес (совокупность сил гравитации и результата других возможных влияний)  превысит возможность стенки дефлегматора эту каплю удерживать (за счет межмолекулярных сил притяжения) капля двинется вниз (в общем случае) по дороге объединяясь с другими каплями,и формируя потеки, объединяющиеся в струйки флегмы. Флегма течет, принимая в свои ряды "ослабевшие" молекулы и теряя "окрепших", что по сути своей и есть массобменный процесс. В итоге,- интенсивность перемещения молекулы из куба в дефлегматор зависит от перепада давлений между кубом и дефлегматором. Вот так, если коротко...

Titi, Не пойму я тебя все же...Ты же в своем вопросе убрал связь с атмосферой. У колонны есть связь с атмосферой, т.о. давление в дефлегматоре  не выше атмосферного.Atar, 31 Марта 10, 00:15

Здесь есть два момента.
1) Некоторые связь с атмосферой используют только на начале процесса, а потом перекрывают до стабилизации.
2) В принципе, это одно и то же. Что с атмосферой, что без нее, с той лишь разницей, что на стабилизации все манометры должны показать атмосферное давление.

Есть насадка, которая сама по себе дроссель, да возвратная флегма, которая этот дроссель увеличивает. Перепад давлений налицо.Atar, 31 Марта 10, 00:15

Что такое дроссель, я не очень понимаю терминологически. Пожалуйста, объясни смысл, который ты в это вкладываешь. Кстати, я не очень пока понимаю и что такое флегма, но это уже не к тебе...

1) Некоторые связь с атмосферой используют только на начале процесса, а потом перекрывают до стабилизации.Titi, 31 Марта 10, 01:24

Кто такие? Почему не знаю??? (С) В.И.Чапаев... Связь с атмосферой это еще и мера безопасности на случай, если дефлегматор не сможет  утилизировать все тепло, переданное кубовой жидкости нагревателем ( например перебой с поступлением воды в холодильник дефлегматора). В этом случае количество попавшего в дефлегматор пара превысит эквивалентное (по критерию энтальпии) количество образованной флегмы и излишки пара "попрут" в трубку для связи с атмосферой. Есть такие (я в их числе), у кого в колонне связь с атмосферой происходит через дополнительный холодильник, для постоянного сбора голов, но эта тема обсуждается в другой ветке. Дроссель,- сопротивление потоку. http://ru.wikipedia.org/wiki/Дросселирование .

В принципе, это одно и то же. Что с атмосферой, что без нее, с той лишь разницей, что на стабилизации все манометры должны показать атмосферное давление.Titi, 31 Марта 10, 01:24

Неправда ваша (с)"Сын полка".
Флегма (от греч. phlégma – слизь, мокрота), часть дистиллята, возвращаемая на верхнюю тарелку ректификационной колонны (см. Ректификация) для её орошения.
Titi,я дополнил свой предыдущий пост в надежде прояснить тебе физику процесса, происходящего в колонне.
Kotische, если нужно, я могу "причесать"  свои рассуждения, сдобрить их иллюстрациями и в FAQ. Видимо не все физику помнят...

Кто такие? Почему не знаю???Atar, 31 Марта 10, 08:56

Кажется, Игорь 223 писал об этом, или Руди, уже не помню... Но было, точно, в просторах форума. Извини, искать некогда. Да и смысла особенно нет. Что это опасно согласен.

Нет силы,-нет изменения движения (покоя). Есть движение или его изменение,- ищи силу (совокупность сил) это движение (изменение движения) порождающую.Atar, 31 Марта 10, 00:15

Полностью с тобой согласен и сам всегда утверждаю то же самое. Это действительно так, если не углубляться в философию и не вспоминать Опории Зенона... Но это, к слову.  Что касается твоего объяснения на молекулярном уровне - и здесь вроде все правильно... Есть только единственное но... Колонна работает (в замкнутом режиме), а манометры показывают одно и то же. А это означает, что перепада давления нет! На переходных процессах - ясное дело, оно будет. Но на равновесном - нет! А колонна работает. Здесь проблемка.

Флегма (от греч. phlégma – слизь, мокрота), часть дистиллята, возвращаемая на верхнюю тарелку ректификационной колонны (см. Ректификация) для её орошения.Atar, 31 Марта 10, 08:56

И это тоже правильно (с точки зрения теории ректификации или химии, может быть). Но с точки зрения физики там только жидкость и газ. И чем флегма отличается от жидкости, да так, что удостоилась нового термина - я так и не понимаю. Это же ведь не новое агрегатное состояние вещества?!

Kotische, если нужно, я могу "причесать"  свои рассуждения, сдобрить их иллюстрациями и в FAQ. Видимо не все физику помнят...Atar, 31 Марта 10, 08:56

Это было-бы весьма полезно

Колонна работает (в замкнутом режиме), а манометры показывают одно и то же. А это означает, что перепада давления нет! На переходных процессах - ясное дело, оно будет. Но на равновесном - нет! А колонна работает.Titi, 01 Апр. 10, 00:24

За счет же чего тогда, по твоему пар добирается до дефлегматора ? Неведомая сила? Антигравитация?
То что давление в кубе выше атмосферного - факт.
Прикрой ладошкой носик от чайника, все поймешь
А то что колонна создает не запредельное сопротивление потоку пара, и нам не нужен перепад давления в 10 атмосфер, всего лишь вопрос количественной разницы давления.
Равновесный режим колонны не в "одинаковости" давлений, а в равенстве испаряемой и конденсирующейся жидкости. Если быть точнее, то в равенстве количества теплоты потребляемой при испарении и отдаваемой при конденсации и теплопотерях.

Видимо не все физику помнят...Atar, 31 Марта 10, 08:56

Видимо так.....

Прикрой ладошкой носик от чайника, все поймешьTacit, 01 Апр. 10, 01:47

Не будь столь жесток.

Не будь столь жесток.
Rudy, 01 Апр. 10, 01:53

Ну пытаться всем телом чан прикрыть не нужно. А от маленького чайничка и тонкого носика, только повязка на руке пару недель будет. Как напоминание своеобразное

Шутка это все. Конечно не нужно руки в чайник совать, и так все понятно.

Titi, если колонна работает "на себя", нельзя говорить о равновесии. Равновесие только в конечных точках, а между ними равновесия нет, идет непрерывный обменный процесс. Суди сам. При работе без отбора имеют смысл такие утверждения.
1. Масса и состав газов, покидающих куб, в точности равна массе и составу жидкостей, в него возвращающейся.
2. Масса и состав газов, приходящих в дефлегматор, в точности равна массе и составу жидкостей, из него уходящей.
3. Это две единственно равновесные точки в колонне.  Концентрация легкокипящего компонента вверху максимальна, а внизу минимальна. Значит все остальные точки колонны в равновесии не находятся. В любой точке колонны содержание легкокипящего компонента в приходящем газе меньше содержания его в газе уходящем. Жидкости - наоборот. Уходящая вниз жидкость имеет меньшую концентрацию легкокипящего компонента.

Теперь о давлении.

Движение газа по трубе и перепад давления в ней неразрывны. Они не существуют друг без друга. Исключение - непроницаемая стенка, задвижка на пути газа. Только тогда может существовать перепад давления без движения.

При работе колонны, в том числе и при работе "на себя", непрерывно присутствует движение газа. По счастливому стечению обстоятельств, несмотря на разный состав газов в колонне, ректифицирующей спирт, объемный поток газа и его скорость в колонне не изменяется, меняется только его состав. Скорость газа немаленькая, порядка метра в секунду.
Если использовать СПН, эта скорость создаёт перепад давления, примерно равный 2 миллиметра водяного столба на каждый сантиметр насадки.
Или, говоря по другому, для создания такой скорости в СПН, необходимо создать перепад давления примерно равный 2 мм.в.столба на каждый сантиметр высоты насадки.
Или, еще раз изменяя точку зрения и немного греша против истины, можно утверждать, что дифференциальный манометр, подключенный к двум точкам такой колонны на расстоянии ИКС сантиметров покажет перепад давления в ДВА ИКС миллиметра водяного столба.

"Грех против истины" состоит только в том, что перепад давления в равномерной насадке нелинеен, так как чем ниже по колонне, тем меньше жидкости бежит навстречу пару, но при этом увеличивается её плотность и вязкость.

Прошу прощения за многословие, подведу итог. Если между двумя точками колонны нет перепада давления, значит колонна не работает.

P.S. Не уверен в точности приведенной мною скорости - метр в секунду. Сейчас посчитаю и подправлю.
P.P.S. Проверил, всё правильно.

Кажется я понял, Titi, причину твоего заблуждения. Если заткнуть колонну, перекрыв связь с атмосферой, в ней накапливается избыточное давление. его величина может быть на порядок или два больше перепада давления в колонне. Поэтому ты его и не видишь. Если у тебя издыточное давление пол-атмосферы (5 метров водяного столба), трудно заметить разницу в 100 миллиметров, особенно если у тебя манометр килограмма на 4.

так как чем ниже по колонне, тем меньше жидкости бежит навстречу пару,Игорь, 01 Апр. 10, 02:11

Игорь,
поясни, если несложно плиз, с чего ты так считаешь? Мне всегда казалось, что как раз наоборот.
Поступающий из куба пар, безусловно, испаряет часть жидкости. Но он ведь и сам охлаждается, теряет энергию и конденсируется. Если бы часть жидкости испарялась на участке от низа колонны до низа дефлегматора, потребовался бы нагрев, в количестве необходимом для испарения этого обьема.
Но у нас процесс то обратный. Хоть все и стараются теплоизолировать этот участок по максимуму, теплопотери то есть. То бишь охлаждение. А значит и частичная конденсация паров.

В колонну никогда не заглядывал и замеров не проводил. Мысли чисто теоретические, оттого и интерестно как ты видишь это по другому.

"Грех против истины" состоит только в том, что перепад давления в равномерной насадке нелинеен, так как чем ниже по колонне, тем меньше жидкости бежит навстречу пару, но при этом увеличивается её плотность и вязкость.Игорь, 01 Апр. 10, 02:11

Как ни странно, вязкость чистой воды меньше, чем чистого спирта. А вязкость водно-спиртового раствора имеет отчетливо выраженный максимум при крепости 40-60%. Вот тут есть неплохая табличка.

Руди, я скорее имел ввиду не вязкость, а текучесть и скорее - поверхностное натяжение, определяющее "цепляемость" флегмы за насадку. Коэффициент поверхностного натяжения спирта в 3,5 раза меньше, чем у воды. При переливании спирта из одной банки в другую он норовит потечь не по назначению, а по наружной стенке банки на пол и на руки. Вода в этом смысле гораздо "послушнее".

--------------

Посмотрел табличку. Что-то не заметил уменьшения вязкости на пути флегмы вниз по колонне. Учитывая, что при периодической ректификации внизу колонны у нас 40% в самом конце ректификации, а флегма постоянно находится на грани кипения, по таблице видно увеличение динамической вязкости. Правда незначительное.

У меня как-то концы с концами не сходятся. Вроде спирт должен лучше смачивать - и его пленка должна быть тоньше. С другой стороны - вязкость выше (хоть и незначительно) - должен стекать медленнее, особенно в более тонком слое. А с третьей стороны, у меня на колонне захлебное давление при дистилляции воды заметно выше, чем при ректификации. Правда не могу сравнить мощности - газ.

Что-то не заметил уменьшения вязкости на пути флегмы вниз по колоннеИгорь, 01 Апр. 10, 03:54

Я и не говорил этого. Максимум вязкости - 40-60% для всех температур. Это - низ колонны. Но температура там выше - при этом вязкость снижается. Поэтому трудно сказать, что будет. Вот посмотри, я график по этой табличке нарисовал.

Правда не очень понятно как и что они  меряли на 100 и 120*С, да и на 80* при крепости 80% тоже. Похоже, что при повышенном давлении.

Игорь,
поясни... с чего ты так считаешь? Мне всегда казалось, что как раз наоборотTacit, 01 Апр. 10, 02:37

Раньше мне тоже так казалось, пока не углубился в литературу.
Колонна - "энергопровод", в котором энергия последовательно, сантиметр за сантиметром, тарелка за тарелкой, передается от куба к дефлегматору, где отбирается водой охлаждения и уходит в канализацию.
Обмен энергией в спиртовой колонне происходит моль на моль - так случилось, что молярная теплота парообразования спирта и воды практически совпадают. Из этого можно сделать два важных вывода.
1. Суммарное количество молей воды и спирта поднимающейся по колонне в виде пара, не изменяется по высоте, и как следствие - объемный поток пара по колонне - константа.

2. Суммарное количество молей воды и спирта опускающейся по колонне в виде флегмы, тоже не меняется.  Следствие - объем флегмы падает при движении сверху вниз. Почему?
Обмен происходит моль на моль. При спуске флегмы каждый такой обмен уменьшает объем флегмы на 1 моль спирта (46 грамм или 58 миллилитров) и увеличивает на 1 моль воды (18 грамм или 18 миллилитров). Значит флегмы книзу потечет в меньшем объеме.

Снова подведу черту.
Если в кубе осталось 5% спирта, а в дефлегматоре у нас азеотроп, из 100 миллилитров флегмы, отданной из дефлегматора (2,3 грамм-моля), до куба доходит тоже 2,3 грамм-моля, но это уже 53 миллилитра (2,3 г-моль при 40 об%)

В начале ректификации, пока спиртуозность кубового пара велика, это не столь заметно, но правило не отменяется.

Объем пара не меняется при подъеме по колонне, а объем флегмы книзу увеличивается уменьшается.

Игорь,
спасибо за пояснения.
Косвенным подтверждением того что процесс идет именно так, являются захлебы колонны. Именно они и заставляли меня сомневаться. Если колонна начинает захлебываться, то почти всегда, захлеб как раз верхний. В районе дефлегматора.
За исключением случаев ошибочной сборки нижнего узла колонны.
А если бы жидкости было больше внизу колонны, захлеб обычно был бы нижним.

Если колонна начинает захлебываться, то почти всегда, захлеб как раз верхнийTacit, 01 Апр. 10, 09:42

Кстати, многие замечали, что такой верхний захлеб  наблюдается при стабилизации кубового давления в конце процесса, когда спиртуозность в кубе уже мала.
Я это связал бы с тем, что в нижей зоне флегмы становится меньше и общее сопротивление колонны пару падает. Но так как давление в кубе мы поддерживаем постоянным, мощность, скорость и количество пара, выходящего из куба растёт. В обедненой флегмой нижней части колонны это обходится без осложнений, а в верхней зоне, где количество флегмы не изменяется от начала до конца ректификации, увеличенная скорость пара становится выше захлебывающей.
Поэтому я считаю очень полезным решение Игоря223 стабилизировать изменением нагрева падение давления не по всей высоте колонны, а только на верхней её части.
-----
PS
Диспут показывает, что название ветки не соответствует действительности. Два года совместных экспериментов и обсуждения как раз наоборот - дали возможность многим коллегам знать и тонко чувствовать суть процессов, происходящих в колонне. Я подправлю.

Я проводил ректификацию, стабилизируя давление точно в 2/3 колонны, одновременно контролируя показометром давление в кубе. Если в начале ректификации, когда внизу колонны концентрация спирта превышала 50%, давление в середине составляло почти точно треть кубового, то к концу ректификации кубовое давление заметно снизилось. Точных значений не помню, но примерно так.
Начало процесса: куб-300 мм.в.ст, 2/3 - 100 мм.в.ст
Окончание процесса: куб-230 мм.в.ст, 2/3 - 100 мм.в.ст

Получив такие результаты, я очередной раз поблагодарил Игоря223 за отличную мысль стабилизировать давление не в кубе, а в насадке.

Я планировал собрать данные по динамике давления для дальнейшего осмысления, но оказалось, что дельта между кубовым давлением и давлением в насадке очень зависит от динамики режима, от флемового числа и от многих других факторов, и нужно гораздо серьёзней подготовиться к эксперименту.

Поэтому пока я пользуюсь старым проверенным способом стабилизации кубового давления.

По этому поводу я пока принял такое решение. Если для стабилизации режима нагрева использовать прессостат с зоной нечувствительности 20-50 мм.в.ст, нужно стабилизировать давление в кубе. если же точность поддержания давления не прешает 10-20 мм.в.ст (например, ЭмПэИкс с ШИМом), лучше стабилизировать давление в насадке.

И чем флегма отличается от жидкости, да так, что удостоилась нового термина - я так и не понимаю. Это же ведь не новое агрегатное состояние вещества?!Titi, 01 Апр. 10, 00:24

Видишь ли, термины внедряют в жизнь люди, изучающие процесс. Сначала употребляют их для общения внутри группы исследователей, затем выносят во внешний мир, затем став де-факто общеупотребительным их (термины) де-юрэ "устаканивают" внося в словари. Процессами тепломассобмена первыми глубоко заинтересовались физики, химики, физикохимики и химикофизики. У этой публики принято отвечать за "базар". "Отмазки" типа "нет времени уточнять" не принимаются. Сказал вода,-значит вода. Сказал раствор,-значит раствор такой-то концентрации чего-то в чем-то, а не вода. Иначе есть риск неверного толкования сути. Например фраза "греем лед до 300K" породит массу дополнительных вопросов. Если в процессе обсуждения не важно о чем  именно речь раствор, вода, взвесь, суспензия, эмульсия и т.п. важно только агрегатное состояние, то понятие обобществляют термином "жидкость". Теперь о флегме. Конденсат разный в разных точках колонны. У него (конденсата) по колонне меняются энтальпия, энтропия, спиртуозность, температура кипения, вязкость, плотность, химические свойства и. т.д. Можно обозначить градиент этих свойств, но нельзя точно указать границу их изменения, т.к. хотя процесс и дискретный на уровне молекул, но он быстротечный, непрерывный и многофакторный. В какой момент совокупность падающих на стол рисовых зерен становятся кучкой риса? Как-то надо было называть жидкость, циркулирующую внутри колонны, обозначив переменчивость и неразрывность ее свойств.  Назвать ее просто "жидкость" нельзя, т.к. именно разные ее свойства и влияют на процессы в колонне и важно понимать какие параметры этой жидкости ожидаются в конкретной точке. Есть еще один аспект. Колоннами пользуются ведь не только для разделения спиртов. На НПЗ в колонне точно где-нибудь да слизь.  Назвали флегмой.