Захлёбывание ректификационной колонны.

Непрофессиональный взгляд на режим захлёбывания ректификационной колонны.

Уважаемые коллеги, предлагаю Вашему вниманию тему: «Захлёб ректификационной колонны». Поиск в интернете даёт мозаичную картину сведений, в которой начинающему пользователю разобраться непросто, но мы попробуем.

Что удалось почерпнуть из форумов ХД и Лабспирт.

По локализации захлёбывание делится на верхнее, нижнее, локальное.

По причинам:
1.Избыточная мощность нагрева, при которой объём пара и флегмы не соответствуют пропускной возможности насадки.
2.Локальное сужение диаметра царги.
а) Плотный пыж: верхний, нижний, сочетанно.
б) Локальное уплотнение насадки.

По показателям давления в кубе в миллиметрах водяного столба:
1.Предзахлёб – в пределах 20% от высоты колонны в миллиметрах.
2.Захлёбывание - 30-40% от высоты колонны в миллиметрах и давление продолжает расти.

По субъективной оценке:
Если я всё верно понял, то «Правильный» захлёб это верхний, а «Неправильный» соответственно нижний. Верхний наиболее предпочтителен, т.к. нижний является следствием конструктивного дефекта колонны.

Захлёб «Правильной» колонны происходит следующим образом. Избыточный нагрев создаёт избыток пара и ускорение его потока. Высокий поток срывает флегму с поверхности насадки и забрасывает её вверх по царге. Ситуация усугубляется тем, что самый плотный пар, максимальное количество флегмы и максимальная скорость пара находятся вверху колонны. Флегма подвисает, скапливается, вызывает ещё большее сужение диаметра царги и ускорение потока. Система замыкается, в итоге происходит верхний захлёб колонны. Самым захлёбоопасным местом является верх царги, поэтому если с целью стабилизировать давление в кубе в процессе ректификации повышать мощность нагрева, то скорость пара и флегмы вверху колонны увеличатся, и колонна исходно находившаяся в состоянии предзахлёба захлебнётся именно в этом месте.
Формально всё верно.

Смотрим онлайн «Справочник химика».

«В работе ректификационных колонн реализован принцип противотока.
При движении пара снизу вверх навстречу стекающей жидкости между паром и жидкостью возникает сила трения, увеличивающаяся по мере увеличения скорости пара. Сила трения может увеличиваться до того момента, пока она не уравновесит силы тяжести стекающей жидкости. При дальнейшем увеличении скорости пара сила трения превысит силу тяжести, жидкость будет захватываться паром и начинается обращённое движение жидкости.

В насадочных колоннах с насыпной насадкой возможны следующие гидродинамические режимы работы:

Плёночный. При небольших скоростях газа жидкость стекает по насадке сплошной пленкой, контакт с газом происходит только на поверхности пленки жидкости, трение между ними незначительно, газовая фаза занимает весь свободный объём и количество удерживаемой жидкости не зависит от скорости газа. Дисперсной фазой при этом режиме является жидкость, а сплошной фазой — газ.

Подвисание. При увеличении скорости газа происходит торможение плёнки жидкости, её утолщение и турбулизация. Режим проявляется в резком возрастании количества жидкости в колонне и повышении гидравлического сопротивления, стекающая жидкость сильно турбулизирована в паровом потоке образуются вихри, однако течение жидкости все еще сохраняет струйно-пленочный характер, а сплошной фазой остается паровая.

Захлёбывание или барботажный, или пузырьковый. Возникает в результате накопления жидкости в насадке. Жидкость накапливается в насадке до тех пор, пока ее сила тяжести не уравновесит сил трения. Накопление жидкости начинается с нижнего слоя и постепенно распространяется на всю высоту насадки.

Происходит инверсия фаз (точка инверсии или точка захлёбывания). Газ перестает быть сплошной фазой и барботирует через слой жидкости. По мере накопления жидкости резко возрастает гидравлическое сопротивление, а увеличения скорости газа при этом почти не происходит.

Эмульгирование или пенный. Газожидкостная дисперсная система(эмульсия) которая возникает после барботажного режима, по внешнему виду напоминающая пену. В этом режиме уже нельзя сказать, какая фаза является сплошной и какая дисперсной.Реализуется режим, при котором достигается наибольшая интенсивность массопередачи, максимальная разделительная способность при максимальной пропускной способности (максимальная производительность). Разделительная способность относительно пленочного выше в 2 раза. При дальнейшем повышении мощности происходит унос флегмы из насадки[/i].

Режим уноса. Газ снова становится сплошной фазой, и жидкость уносится из аппарата в виде брызг вместе с газом. Жидкость почти не поступает на насадку.

Учитывая изложенное выше применительно к непромышленным колоннам можно сделать следующее заключение. Конструктивно неизменной спецификой работы колонн насадочного типа в режиме подвисания, является изменение величины гидростатического давления и гидравлического сопротивления флегмы по высоте царги, что влечёт за собой изменение силы трения встречных потоков на разных уровнях насадки. Усиление на нижних и ослабление в верхних.
При этом существует одна очень важная закономерность: чем выше градиент давления, тем выше разделительная способность и большее число теоретических тарелок.

Рассмотрит работу разных слоёв насадки по отдельности.
Условия работы нижних слоёв насадки.
1. Максимальное давление и сопротивление встречных потоков пара и флегмы.
2. При превышении определённой мощности нагрева, скорость потока флегмы снижается вплоть до полной остановки.
3. Низкая скорость массопереноса (относительно верхних слоёв).
4. Высокий ТМО.
5. Максимальная производительность. Укрепление пара в нижней трети царги минимум до 85об%
6. Функционально самое узкое место царги лимитирующее производительность всей РК.

Условия работы верхних слоёв насадки.
1. Низкое сопротивление встречных потоков пара и флегмы.
2. Высокая скорость потока флегмы.
3. Высокая скорость массопереноса.
4. Низкий ТМО (относительно нижних отделов).
5. Основная задача не укрепление, а очистка от примесей.
6. Функционально самое широкое место царги с минимальным сопротивлением потоков.

Механизм захлёбывания РК.
Пусковым событием процесса затопления является превышение допустимой мощности нагрева и нарушение равновесия объёмов восходящего пара и стекающей флегмы в сторону усиления потока пара и снижения флегмы. Замедление тока флегмы вплоть до полной остановки ведёт к нарушению ТМО. Кипящая флегма находящаяся в условиях фазового перехода исключается из процессов ТМО и не имея возможности полноценного тока вниз, накапливается в виде уровня заполняя всё свободное место насадки. Процесс закольцовывается, вовлечь флегму обратно в ТМО становится невозможно, уровень флегмы и гидростатическое давление начинает расти затапливая колонну от нижних отделов к верхним. Формирование нижнего горизонта жидкости в насадке происходит под влиянием равномерного распределения структурой насадки встречных потоков и сил трения по всей площади сечения. Устранить запущенный процесс затопления РК снижением мощности практически не возможно.

Захлёбывание непромышленной РК – необратимый процесс скопления флегмы в насадке и/или поверх неё в виде уровня жидкости, который невозможно вовлечь в ТМО без полной остановки РК.

В штатно работающей РК критически важным местом, определяющим её производительность является нижняя часть насадки. Взаимодействие потоков и ТМО в нижних отделах происходит на пределе пропускной способности. По этой причине затопление колонны развивается с нижних отделов и далее уровень и гидростатическое давление флегмы растёт пропорционально давлению пара.

Срыв флегмы с поверхности насадки потоком высокой скорости и заброс её вверх не может являться основным механизмом затопления. Срыв жидкости с поверхности может произойти под воздействием пристеночного отрицательного давления линейного потока газа по закону Бернулли. Закон Бернулли действителен для ламинарных потоков, а в насадке поток турбулентный.

На практике всё выглядит много проще и без сложных теорий. Отмечают мощность нагрева, при которой начинается неконтролируемый рост кубового давления, или отмечают мощность, при которой после стабилизации температуры внизу царги происходит её скачок. В первом случае определяем рост сопротивления пару образовавшимся уровнем жидкости, в другом - нарушение ТМО вызванное уровнем жидкости. В дальнейшем в работе мощность нагрева до выявленного значения не повышают.

Т.к. интенсивность ТМО в нижних отделах находится на максимальном уровне, то основное укрепление пара происходит на относительно небольшом по протяжённости участке нижних слоёв вовлечённой в ТМО насадки. Данный терминальный участок по мере обеднения пара этанолом и освобождения нижних слоёв насадки от спирта постепенно смещается вверх за счёт снижения числа ТТ верхней части. Высокая скорость массообмена, низкий ТМО в сочетании со снижением количества ТТ укорачивающейся верхней части насадки со временем не позволяет качественно отделить примеси, но укрепление пара при этом почти не страдает. Практическое значение данного процесса следующее: при явно определяемых примесях в продукте в конце ректификации, температура вверху насадки остаётся без изменений практически до конца цикла и укрепление спирта до приемлемых показателей ещё не значит получение чистого продукта, особенно при низком качестве сырья. По этой причине температурный датчик автоматики или термобаллон механической регуляции отбора ставят в нижней части царги.

Интересен ещё момент. Что происходит в колонне, если снижение давления в кубе корректировать увеличением мощности?
Причина снижения кубового давления в общих чертах ясна. Пары воды относительно этанола обладают меньшей плотностью в 2,6 раза. Освобождение пространства насадки от паров этанола и заполнение её парами воды приводит к падению газодинамического сопротивления. Снижение спиртуозности кубового остатка при постоянной мощности нагрева не снижает объём парообразования, но снижается масса испарённой водно-спиртовой смеси и содержание в ней этанола. Снижается количество возвращаемой в куб насыщенной водой флегмы, кроме того вода относительно этанола обладает большей плотностью и меньшей вязкостью. Все это в комплексе освобождает место в насадке, осушает от этанола её нижние слои и постепенно приводит к снижению давления в кубе. Снижая отбор, мы заполняем нижние отделы насадки этанолом и временно исправляем ситуацию.

Для отвода 1 кв. ч. тепла из РК неизменно и независимо от ФЧ в верней части колонны необходим оборот 5л спирта в 1час. По информации, взятой от авторитетных авторов форумов, в колонне с максимальной производительностью, работающей на грани затопления стабилизировать давление в кубе увеличением мощности категорически запрещено.

Происходит следующее. Низ насадки освобождается от этанола, давление в кубе снижается, количество флегмы и ФЧ снижается. Если увеличить мощность нагрева, то для отвода тепла потребуется бОльший объём переноса спирта вверху колонны, а колонна уже исходно находилась в состоянии предзахлёба следовательно, происходит затопление верхней части насадки, а также «выдувание» примесей высокой скоростью переноса из середины насадки в отбор.
В теории выглядит всё вполне логично.

На практике могу сказать, что у меня ни разу не случалось затопления изолированно верхней части РК, ни при каких режимах. Затопление всегда постепенно развивалось с нижних слоёв. Исключением являлись локальные захлёбы. Во времена мочалок – не расправленная должным образом мочалка. В новой истории - пыжи из сетки Панченкова.

Колонна в исходном состоянии предзахлёба, это ещё не вся колонна, а лишь её нижняя часть. В верхних отделах резервы пропускной способности ещё далеко не исчерпаны, т.к. условия работы насадки нижних слоёв не соответствуют верхним. Точка максимального противодействия потоков пара и флегмы вплоть до их теоретической полной остановки всегда находится в нижней точке заполненной этанолом насадки. Т.о. нижние слои работают на пике производительности ТМО, в то время как верхние, несмотря на относительно высокий массообмен и высокую плотность пара остаются недогружены. Верхнее захлёбывание при повышении мощности произойдёт, если сила трения потоков в верхних отделах приблизится к нижним, в таком случае да, вероятно затопит, но технически это маловероятно.

Тем не менее, всё же есть простой и надёжный способ получить верхнее захлёбывание на стабильно работающей колонне – значительно и резко повысить мощность, при этом поступление флегмы в насадку значительно сократится и она начнёт над ней скапливаться.

Д.И. Менделеев открыл 40-градусную водку. Потом он открыл 20-градусный портвейн. И только утром он открыл, что смешивать их нельзя.

Э-э.... хм, а вопрос начинающего где? гиде мопассан??? ))

Вас смутило, что его нет ?)

меня смутил - флуд в профильном разделе...

Вопросы ректификаторов
Вопросы-ответы по ректификации для новичков и всех остальных.

тема больше бы подошла для раздела -
Общая информация

А меня смутило... начал за здравие, а закончил за упокой...

происходит верхний захлёб колонны. Самым захлёбоопасным местом является верх царги,Кот Бегемот, 13 Марта 21, 17:51

Добавлено через 1мин.:

Затопление всегда постепенно развивалось с нижних слоёв.Кот Бегемот, 13 Марта 21, 17:51

Добавлено через 3мин.:

нижний является следствием конструктивного дефекта колонны.Кот Бегемот, 13 Марта 21, 17:51

Может в этом у тебя и проблема?

Александр, со всем уважением к Вам и Вашим заслугам на ресурсе, но Вы - не модератор данного раздела.
По тексту замечаний, если я Вас правильно понял, нет.

Maik2407, Вы не совсем верно поняли текст, к сожалению, немного растянуто получилось.
«Самым захлёбоопасным местом является верх царги» - не моё заключение, источник, если не ошибаюсь, Лабспирт и на ХД верхний захлёб, как я понял, в приоритете.
«Затопление всегда постепенно развивалось с нижних слоёв» - всё верно.
А последнее утверждение это к Александру.
За желание помочь разобраться в проблеме респект, но пока Бог миловал.

Бегемот, ты - не правильно понял сей момент.. не я, как модератор - влез в твой флуд, а как просто как человек пытающийся предостеречь - о возможных неприятностях..

Александр, со всем уважением к Вам и Вашим заслугам на ресурсе, но Вы - не модератор данного раздела.Кот Бегемот, 14 Марта 21, 00:43

Т.е.пользуясь ситуацией, забили на правила форума.. ))
1. обсуждение действий модератора.. это карается, весьма серьезно... но мне пох, не приципиально..
если Админу все равно - мне тоже подавно..
2. а зачем собственно - лезть в бутылку?? Принципиально? Уважаю принципы.. так ведь за правилами - стоит
много народу, если одному можно - почему остальным нельзя?

ЗЫ. ну да ладно.. мне просто интересно - будет ли полезный выхлоп, у столь громкой аккредитации о себе..

ЗЫ.. Судя о язвительном тоне - опять выполз кто то, из ранее забаненных форумчам..
и у меня такое чувствство - что я уже слышу, знакомый голос, по отпечаткам клавиатуры и апломба.. ))

По содержанию замечаний всё же нет.
Разместил бы материал в другом разделе, но статус Новичка ещё не позволяет, спасибо модератору, что пропустил.
На форуме ранее создал одну тему, эта вторая, ранее как на духу - не был, не состоял, не привлекался. Короче, ошиблись Вы в чувствах.
Как человека, пытающегося предостеречь, прошу, просто пройдите мимо, не надо флудить ветку.
Удачи.

Если я всё верно понял, то «Правильный» захлёб это верхний, а «Неправильный» соответственно нижний. Верхний наиболее предпочтителен, т.к. нижний является следствием конструктивного дефекта колонны.Кот Бегемот, 13 Марта 21, 17:51

По содержанию замечаний всё же нет.Кот Бегемот, 14 Марта 21, 09:14

Нижней захлёб ,начало затопления колонны , если удержишь определённый уровень флегмы при этом захлёбе ,получишь ЭМУ.

При этом существует одна очень важная закономерность: чем выше градиент давления, тем выше разделительная способность и большее число теоретических тарелокКот Бегемот, 13 Марта 21, 17:51

а ты говоришь вехний предпочтительней. При верхнем, ниже звхлёба вообще нет разделения . И как понять правельный или не правельный захлёб ?

Текст получился сложный, пытался упростить, но теряется смысл. Ещё раз сорри.
Основная мысль в том, что в нормально сконструированной колонне при плавном повышении нагрева развивается нижний захлёб, а при резком верхний.
Текст структурирован т.о., что вначале я привожу общую информацию, взятую с форумов, затем академическую, затем свои заключения.
По регуляции давления в кубе, сначала данные с форумов, затем свой опыт и свои заключения.
Какое затопление лучше? Оба хуже. В обоих случаях флегма полностью исключается из ТМО и обратно её вовлечь невозможно. В обоих случаях необходимо останавливать колонну. Отличие лишь в механике развития. При нижнем - флегма вначале выходит из состояния фазового перехода и только затем накапливается в виде уровня. При верхнем –флегма уже исходно создаёт уровень над насадкой.
Режим эмульгации актуален лишь в промышленных условиях, т.к. легко переходит в неконтролируемое затопление, он же захлёб. Смысла гнаться за эмульгацией нет совершенно, достаточно режима подвисания, современные насадки уже исходно обладают достаточной разделительной способностью.

Основная мысль в том, что в нормально сконструированной колонне при плавном повышении нагрева развивается нижний захлёб, а при резком верхний.Кот Бегемот, 14 Марта 21, 17:30

🤭

Какое затопление лучше?Кот Бегемот, 14 Марта 21, 17:30

Искуственное . Кафаровская ЭМУ.

Смысла гнаться за эмульгацией нет совершенно, достаточно режима подвисания, современные насадки уже исходно обладают достаточной разделительной способностью.Кот Бегемот, 14 Марта 21, 17:30

Насчёт насадок почти согласен , а ЭМУ ,это раделение этих насадок × 2 . Только вот вопрос .А оно, это разделение ,тебе надо ?
А где этот режим подвисания , как его определить ? И как ты думаешь , сколько ТТ он тебе даст по сравнению с плёнкой ? Хотя бы примерно.

Плёночный режим совсем уж тихоходный, а хочется всего и сразу.)
"На практике всё выглядит много проще и без сложных теорий. Отмечают мощность нагрева, при которой начинается неконтролируемый рост кубового давления, или отмечают мощность, при которой после стабилизации температуры внизу царги происходит её скачок. В первом случае определяем рост сопротивления пару образовавшимся уровнем жидкости, в другом - нарушение ТМО вызванное уровнем жидкости. В дальнейшем в работе мощность нагрева до выявленного значения не повышают." Работаем эмпирически, подбираем режим на грани производительности и захлёба, тем и пользуемся. Но теорию желательно знать.
Указанная мной эффективность эмульгации х2 она же для промышленных колонн 70-80х годов. По эффективности насадок Zapal на порядок лучше владеет информацией, у него если не ошибаюсь на зерновом форуме по насадкам хорошая ветка. Меня травленная СПН 3,5 вполне устраивает.

В пленочной колонне -плёночный режим. В эмульгационной -эмульгационный режим . Вот в ней," все и сразу".

Основная мысль в том, что в нормально сконструированной колонне при плавном повышении нагрева развивается нижний захлёб, а при резком верхний.Кот Бегемот, 14 Марта 21, 17:30

Да с чего ты это взял?

Добавлено через 2мин.:

Ситуация усугубляется тем, что самый плотный пар, максимальное количество флегмы и максимальная скорость пара находятся вверху колонны. Флегма подвисает, скапливается, вызывает ещё большее сужение диаметра царги и ускорение потока.Кот Бегемот, 13 Марта 21, 17:51

Ты же вот сам, сначала одно пишешь, правильно пишешь, потом все с ног на голову...🙄🤔

Тут надо определиться в терминологии и в понятии. Захлёб это аварийный,не управляемый режим.
Всё что ВЫЛЕТАЕТ из куба должно ВЕРНУТЬСЯ в куб,за минусом отбора. В противном случаи колонна наполняется,пусть и медленно но наполняется флегмой ,в итоге наполниться полностью до ТСА и вытичет наружу. Пусть это будет верхний или нижний или локальный захлёб, итог всегда будет один -авария! Эмульгация это не захлёб ,а управляемое затопление насадки (колонны). Там тоже при нормальном режиме ,что испаряется то и возвращается ,за минусом отбора. Если это правило нарушить ,то тоже получим захлёб со всеми вытекающими.
Теперь по поводу режимов. Кто то думает, что он работает в предзахлебном режиме, кто то в турбулентном , все это плёночный режим. И ТМО тут происходит на поверхности плёнки .Второй режим это режим эмульгации,здесь ТМО происходит в объеме жидкости.Режимы эти отличаются друг от друга принципиально . Других рижимов для насадачных колонн нет.
Предзахлёб,турбулентный режимы это режимы с отличаем на уровне самовнушения. Возьмите царгу 50 см и погоняйте на разных мощностях от 0.5 кВт до 2 кВт (образно). Сделайте замеры спиртуозности продукта при одинаковом ФЧ. Разницы не будет. Вы не отлечите один плёночный режим от другого плёночного режима ,так как это есть один ПЛЁНОЧНЫЙ режим.

Я обычный пользователь и не силён в тонкостях теории ректификации, поэтому формулировки режимов привёл из профильной литературы. Ваша мысль мне понятна и если на практике результат Вас устраивает, значит, Ваши заключения верны.

Я обычный пользователь и не силён в тонкостях теории ректификации, поэтому формулировки режимов привёл из профильной литературы. Ваша мысль мне понятна и если на практике результат Вас устраивает, значит, Ваши згаключения верныКот Бегемот, 15 Марта 21, 07:38

Ты же сам затронул тему захлёба . Вот и давай разберёмся, что бы всем стало понятнее.

Коллеги, я немного поясню по тексту.

Всё что следует за:
«Что удалось почерпнуть из форумов ХД и Лабспирт» - Не мои утверждения!
«Можно сделать следующее заключение» – мои заключения

В разделе «Что происходит в колонне, если снижение давления в кубе корректировать увеличением мощности?»
Всё что следует за:
«По информации, взятой от авторитетных авторов форумов» - Не мои утверждения!
«На практике могу сказать» – мои заключения.

Именно посты форумчан заставили меня задуматься о механике затопления, после чего я пришёл к собственным выводам, далеко не во всем совпадающем с их мнением.

Янн, мне просто нечего добавить к первому посту.

Maik2407
«Основная мысль в том, что в нормально сконструированной колонне при плавном повышении нагрева развивается нижний захлёб, а при резком верхний.»
Первый пост всё объясняет.