Теоретическая тарелка — устройство, количество, расчет
Внутри классической колонны есть плоские горизонтальные контактные элементы, которые очень напоминают тарелки. На поверхности этих элементов происходит тепломассообмен между флегмой и парами и разделение фракций. Или, если проще, пузырьки пара проходит через слой флегмы на тарелке. Чем больше количество тарелок и площадь контакта, тем лучше разделяющая способность колонны. В поисках способа измерить эту способность и была придумана теоретическая тарелка (ТТ).
Что такое теоретическая тарелка?
Это удобный термин, созданный для измерения разделяющей способности колонны. Теоретическая тарелка — это модель обмена теплом и массой в парожидкостной среде. Модель основана на представлении колонны идеальным изолированным устройством, со 100-процентной разделяющей способностью, на которую не влияют внешние факторы. Колонна как будто находится в непрерывном термодинамическом равновесии.
Теоретические тарелки нужны, как удобное понятие, от которого отталкиваются при расчетах.
Даже если в колонне не тарелки, а спирально-призматическая насадка (СПН), она все равно обладает разделяющей способностью, которая может быть измерена при помощи теоретической тарелки.
Можно пояснить по-другому. Из водно-спиртовой смеси крепостью 10% можно получить простой перегонкой спирт крепостью 40%. При последующих перегонках мы получим, соответственно, спирт крепостью 60, 70, 80, 90, 96%. Каждая физическая перегонка с повышением крепости продукта считается теоретической тарелкой или единицей массопереноса. Всего таких перегонок нужно около 10. То есть, ректификация — это 10 последовательных дистилляций, которые идут параллельно на разных тарелках.
Итак, КПД теоретической тарелки всегда 100%. Этим она и отличается от физической тарелки.
Теоретические тарелки в ректификационных колоннах
Теоретическая тарелка в ректификации — это часть колонны, в которой при конкретных условиях и режиме работы колонны достигается равновесие жидкой и парообразной фаз и теплообмен прекращается. Самой маленькой эта часть будет, когда колонна работает “на себя”, без отбора — с СПН она составит всего 1,5-3 см. При отборе голов и хвостов — 2-4 см, тела — 6-8 см.
Число теоретических тарелок в ректификационной колонне
В зависимости от числа флегмы и спиртуозности жидкости в кубе, меняется количество теоретических тарелок одной и той же колонны. Если при работе “на себя” в ней будет около 100 ТТ, то при отборе тела — 10-40 ТТ, поскольку флегмы будет много.
Конструкция тарелок ректификационной колонны
Устройство тарелок ректификационной колонны может быть самым разнообразным, но самый простой, эффективный и популярный вариант насадки в бытовой колонне — это СПН.
Типы тарельчатых колонн. Теоретическая и физическая тарелка. КПД колонны.
Медный самогонный аппарат от Пьяного Снайпера.
«Cuprum Gun». Дистиллятор и колонна.
Тарельчатая колонна предназначена для разделения спиртосодержащей смеси на составляющие с последующим отбором этилового спирта, максимально очищенного от примесей.
Колонна с колпачковыми тарелками наиболее технологична, универсальна и удобна для домашней ректификации.
Подробно о колпачковой тарелке, принципе её работы и преимуществах здесь.
Другие виды тарельчатых колонн:
Ситчатая тарелка.
Самая простая конструкция тарельчатой колонны. Состоит из сита и переливной трубки. Флегма не протекает вниз сквозь сито, пока есть напор пара снизу. При превышении уровня барботируемой флегмы над уровнем края переливной трубки, флегма стекает на низлежащую тарелку.
Главные минусы ситчатой тарелки — необходима тонкая настройка всей системы и поддержание всех параметров в процессе перегонки на постоянной величине.
Ситчатая двухуровневая тарелка
Провальная тарелка.
В отличии от ситчатой, на провальной тарелке нет трубки для перелива флегмы. Удержание флегмы паром возможно только при определённом уровне, как только флегмы становится больше заданного значения, силы пара становится недостаточно и часть флегмы проваливается вниз.
Провальные тарелки из нержи и меди
Вихревая (или спирально-струйная) тарелка.
Принцип работы такой же, как и у провальной. Отличие в том, что пар из отверстий выходит под углом и создаёт вихревой поток для увеличения тепломассобмена.
Вихревые тарелки
Клапанная тарелка.
Используется в промышленности. На тарелке расположены клапана, которые открываются и закрываются в зависимости от давления пара.
Клапанная тарелка
Теоретическая тарелка ректификационной колонны (ТТ).
Если мы возьмём 10% раствор этилового спирта в воде и перегоним его один раз, то получим продукт примерно 40%.
Вторая перегонка даст нам укрепление уже 60%, третья — 70%, четвёртая — 75% и т. д.
Спирт 96% мы получим за 9-10 перегонок исходного 10%-ного раствора.
Каждая такая перегонка будет являться так называемой теоретической тарелкой — то есть количество теоретических тарелок показывает количество перегонок, которые потребуются для данного аппарата для получения 96% спирта из 10%-ного его раствора в воде.
Но поскольку мы отбираем спирт не из чистой воды, а из браги, в которой содержится более ста примесей, то понадобится порядка 25-50 перегонок, или, что одно и тоже — теоретических тарелок.
Физическая тарелка представляет собой горизонтальную перемычку круглой формы с различными устройствами для пропуска пара и слива флегмы. Как правило тарелка герметично закрепляется в колонне с помощью резьбовых шпилек и ограничителей.
КПД тарельчатой колонны.
Производительность физической тарелки всегда будет отличаться в меньшую сторону от расчётных значений теоретической тарелки.
На эффективность работы ФТ будут влиять различные параметры: конструктивные особенности колонны и всего аппарата, вязкость жидкости, коэффициент диффузии, тепловые потери, пути движения флегмы и прочее.
Опытным путём доказано, что КПД физической тарелки составляет примерно 50-60% от теоретической.
Виды тарелок в ректификационной колонне
Какие типы тарелок ректификационныхколонн эффективнее? Какими проще пользоваться в домашних условиях?Отвечаем на эти вопросы ниже.
Виды тарелок в ректификационной колонне
Итак, на тарелках пары проходят через слой жидкости, образуя пену.Конструкция тарелок влияет на следующие показатели:
Тарелки классифицируют на:
А теперь чуть подробнее про классификацию по типу отверстий и токужидкости.
1. Ситчатые (дырчатые), перекрестноточные
Снабжаются мелкими круглыми, треугольными или щелеобразными отверстиями. Здесь работают перекрестные токи жидкости и пара. Есть на тарелках и сегменты без отверстий, которые расположены возле перегородок или сливных труб, погруженных в жидкость. Они разделяют потоки жидкости и пара, чтобы тарелки не захлебывались.
Работая с ситчатыми тарелками нужно точно управлять перегонкой.
Наименьшее гидравлическое сопротивление и эффективность массообмена у конструкции из листа с просечками и отбойными перегородками.
Расстояние между тарелками устанавливают с таким расчетом, чтобыминимизировать брызгоунос и оставить доступ для ремонта или очистки.
2. Струйные, перекрестно-прямоточные
Это фактически, лист с выдавленными отверстиями разной формы, обрамленные прямоугольными скругленными или треугольными лепестками.
Струйные тарелки хорошо справляются с высокой нагрузкой по пару
3. Противоточные
Могут быть:
а) провальными решетчатыми;
б) провальными волнообразными дырчатыми.
Самый простой вариант —тарелка со щелями, через которые проходит наверх пар и стекает вниз избытокжидкости. Решетчатая конструкция захлебывается или не может удержать на себедержит жидкость, если жидкости или пара поступает на ⅕-⅓ больше нормы.
Дырчатая тарелка сволнообразной (синусоидальной) поверхностью пропускает обе фазы через круглыеотверстия, при этом слой жидкости закрывает неровности.
Провальные тарелки производительны, но работают в очень узком диапазоне мощности нагрева.
4. Тарелки с колпачками, туннельными, желобчатыми или капсульными
Один из наиболее популярных и универсальных типов — круглые или капсульные колпачки.
У каждого колпачка есть прорези или трубки внизу для поступления пара, который смешивается с жидкостью струйно. Струи от соседних колпачков образуют завихрения, повышая эффективность массообмена и КПД тарелки до 0,6-0,8. Диапазон мощности нагрева у колпачковых колонн шире.
Преимуществом колпачковых тарелок считают возможность остановить процесс перегонки и без проблем запустить его вновь. Фракционированная флегма при выключении нагрева остается на тарелках, а не сливается обратно.
Желобчатые представляют собой желоба, без колпачков, как таковых. По нимдвигается жидкость. Туннельные колпачки имеют прямоугольную форму.
5. Вихревые
Характеризуются завихрением потока пара и жидкости, слабым брызгоуносом и представляют собой лист с отверстиями, лепестками, отбойными элементами, размещенными внутри окружностей.
Вихревые тарелки эффективно разделяют, обладают малым гидравлическим сопротивлением и поэтому используются при вакуумной перегонке.
6. Колпачки и полотно тарелок с S-образными элементами
Образуют повторяющиеся кластеры. При этом пар входит только с одной стороны потоком тонких струй. Такие тарелки достаточно эффективны, их КПД составляет 0,4-0,7.
7. Клапанные напоминают дырчатые
Позволяют регулировать подачу пара при помощи поднимающихся под его напором клапанов разной конструкции.
Что такое тарельчатые ректификационные колонны, чем они отличаются от других самогонных аппаратов, как изготовить?
Тарельчатые ректификационные колонны представляют из себя устройства, в которых вместо насадки устанавливаются классические тарелки. Дома эти колонны используются для получения, пусть и не ректификованного спирта, но очень качественного и очищенного дистиллята – степень его укрепления составляет 90-95% вплоть до протоспирта.
Традиционно тарельчатые колонны используются для производства коньяка, виски и подобных благородных напитков. Небольшое число дисков сохраняет органолептику сырья при высокой производительности и стабильности устройства.
Что такое ректификационный абсорбер тарельчатого типа и для чего нужен?
Тарельчатые абсорберы являются устройством массообмена с вертикальным расположением, внутри которых друг над другом располагаются поперечные перегородки в виде тарелок. Их функцией является разделение жидкостей на буквально чистые составляющие, отличные температурой кипения, за счёт многократных испарений жидкости и конденсации паров.
Данный процесс в ректификационных колоннах идёт ступенчато, поэтому они относятся к группе ступенчатых агрегатов.
Достоинства и недостатки или какая модель лучше?
Судя по различным отзывам в интернете, ректификационные колонны имеют следующие преимущества и недостатки.
Тарельчатые
Нерегулярные насадочные
Регулярные насадочные
Колпачковые
Устройство и принцип работы самогонных аппаратов с дефлегматором
Колпачковый ректификационный абсорбер может содержать разное число колпачков.
Так процессы испарения происходят повторяясь один за другим и в итоге выходит жидкость с более высокой температурой кипения. В результате этого и получается высокоградусный спирт.
К изделиям со сливным устройством относятся абсорберы с клапанными, ситчатыми, колпачковыми и прочими тарелками, имеющими специфические устройства для перетекания жидкости с тарелки на тарелку – карманы, сливные трубки и пр.
Конструктивные особенности и разновидности
Ниже приводятся несколько видов колонн в основном с медными комплектующими:
Тарелки с медными колпачками, помимо фракционного разделения, также забирают на себя соединения серы, улучшая аромат получаемого продукта. Высота 415 мм, сами тарелки сделаны из нержавеющей стали, колпачки сделаны из меди, диаметр клампового соединения 2 дюйма.
С его помощью можно получить дистиллят крепостью
92%, очень качественно отсекая «головы» и «хвосты», оставив органолептику исходного сырья в конечном продукте. При этом «ненужные» фракции можно прилично очистить за один перегон, что при использовании обычного дистиллятора достижима только путем 3-4-кратной дробной дистилляции.
Колонны имеют внутренний диаметр 80 мм, все тарелки с 3 колпачками из нержавеющей стали. Все разъемы для крепления – хомут кламп.
Абсорбер состоит из 4 основных частей: головная часть с узлами отбора по пару и жидкости, холодильник Димрота, доохладитель и царга (2 шт.) – полметра и метр.
Как изготовить и собрать своими руками?
Стоит ли покупать тарельчатую колонну или лучше изготовить своими руками?
Самостоятельно изготовить колпачковую колонну по чертежу не так сложно, особенно если имеются в наличии колпачковые тарелки, являющиеся практически самой сложной составной частью. В основном приобрести их можно в интернете на подходящих сайтах, например, на алиэкспресс, и чаще всего продаются тарельчатые колонны китайского производства.
Однако выбирать особо не приходится, так как данные изделия являются довольно специфическим товаром и производятся они в очень узком кругу мастерских. А самостоятельно изготовить такие тарелки очень сложно, но вполне реально.
Потребуются для этого медные или нержавеющие пластины для вырезки кругов, которые равны внутреннему диаметру основной трубы колонны. Тарельчатая колонна же делается из нержавеющей, медной или стеклянной трубы, диаметр которой составляет 8-10 мм. и высотой (длиной) приблизительно 75 см.
Готовые стеклянные колонны, которые предлагают производители, пользуются немалой популярностью, так как можно следить за процессом барботирования, а это очень необычный процесс. Хотя сам материал в расчете качества работы колонны не учитывается.
По краям диска сверлятся ещё два отверстия диаметром почти 1 см и в них уже вставляются трубки с меньшей высотой – приблизительно 0,8-1,5 см. Стыки дисков и всех трубок пропаиваются.
Чем различаются абсорберы?
Также неравномерное стекание жидкости по тарельчатой насадке ограничивает насадочные колонны по диаметру, так как тарельчатые колонны по диаметру достигают 4 м., а насадочные не превышают и 2,8 м. А это значительно ограничивает насадочные колонны в ректификационном использовании.
Но благодаря невысокой себестоимости и простоте своего изготовления они пользуются популярностью в малом производстве.
Данные абсорберы различаются общим количеством колпачков, которых, чем больше, тем больше количество точек преобразования пара в жидкость, и соответственно выше объём выходящего готового продукта.
Это даёт возможность заниматься перегоном по законам простой ректификации не рискуя оставить спирт без вкусовых качеств, отделять головные фракции и при сборе «тела» не думать о своевременном подходе хвостовых фракций.
Область самогоноварения не ограничивается выгонкой одного лишь самогона и современные дистилляционные устройства позволяют производить куда большее разнообразие алкогольных напитков. При этом тарельчатые колонны можно, как приобрести готовые, так и изготовить своими руками, всё упирается лишь в возможности и желание.
Процесс ректификации позволяет добиться высокой чистоты и крепости спирта и оба этих качества зависят от понимания основы дела занимающимся им винокуром. Поэтому для проведения более верных вычислений, рекомендуется к прочтению издание А. Г. Касаткина «Основные процессы и аппараты химической промышленности».
Полезное видео
Предлагаем посмотреть видео о разновидностях и схемах применения ректификационных колонн:
Теоретическая тарелка — устройство, количество, расчет
Внутри классической колонны есть плоские горизонтальные контактные элементы, которые очень напоминают тарелки. На поверхности этих элементов происходит тепломассообмен между флегмой и парами и разделение фракций. Или, если проще, пузырьки пара проходит через слой флегмы на тарелке. Чем больше количество тарелок и площадь контакта, тем лучше разделяющая способность колонны. В поисках способа измерить эту способность и была придумана теоретическая тарелка (ТТ).
Что такое теоретическая тарелка?
Это удобный термин, созданный для измерения разделяющей способности колонны. Теоретическая тарелка — это модель обмена теплом и массой в парожидкостной среде. Модель основана на представлении колонны идеальным изолированным устройством, со 100-процентной разделяющей способностью, на которую не влияют внешние факторы. Колонна как будто находится в непрерывном термодинамическом равновесии.
Теоретические тарелки нужны, как удобное понятие, от которого отталкиваются при расчетах.
Даже если в колонне не тарелки, а спирально-призматическая насадка (СПН), она все равно обладает разделяющей способностью, которая может быть измерена при помощи теоретической тарелки.
Можно пояснить по-другому. Из водно-спиртовой смеси крепостью 10% можно получить простой перегонкой спирт крепостью 40%. При последующих перегонках мы получим, соответственно, спирт крепостью 60, 70, 80, 90, 96%. Каждая физическая перегонка с повышением крепости продукта считается теоретической тарелкой или единицей массопереноса. Всего таких перегонок нужно около 10. То есть, ректификация — это 10 последовательных дистилляций, которые идут параллельно на разных тарелках.
Итак, КПД теоретической тарелки всегда 100%. Этим она и отличается от физической тарелки.
Теоретические тарелки в ректификационных колоннах
Теоретическая тарелка в ректификации — это часть колонны, в которой при конкретных условиях и режиме работы колонны достигается равновесие жидкой и парообразной фаз и теплообмен прекращается. Самой маленькой эта часть будет, когда колонна работает “на себя”, без отбора — с СПН она составит всего 1,5-3 см. При отборе голов и хвостов — 2-4 см, тела — 6-8 см.
Число теоретических тарелок в ректификационной колонне
В зависимости от числа флегмы и спиртуозности жидкости в кубе, меняется количество теоретических тарелок одной и той же колонны. Если при работе “на себя” в ней будет около 100 ТТ, то при отборе тела — 10-40 ТТ, поскольку флегмы будет много.
Конструкция тарелок ректификационной колонны
Устройство тарелок ректификационной колонны может быть самым разнообразным, но самый простой, эффективный и популярный вариант насадки в бытовой колонне — это СПН.
Встречаются и смешанные модификации, например, ситчато-клапанные.
Подробнее об этих контактных элементах читайте в нашем материале “Виды тарелок в ректификационной колонне”.
Расчет числа теоретических тарелок в ректификационной колонне
Расчет теоретических тарелок, по идее, нужно производить при помощи программ, он слишком сложен. И все же существуют формулы, по которым можно рассчитать число теоретических тарелок, например — на основе разницы температур:
nth = (T2 +T1) / (K (T2-T1)), где
Т1 — температура кипения спирта;
Т2 — температура кипения воды;
K — константа, которая может быть равна 2,5 — максимальное число ТТ, 3 — оптимальное, 4 — минимальное число ТТ.
Эта формула не учитывает флегмово число, давление и задержку жидкости.
Метод определения числа теоретических тарелок
Все методы делятся на аналитические и графические, все достаточно сложны. Графические предполагают построение фазовой диаграммы или ступенчатых графиков из кривой равновесия, вертикальных и горизонтальных линий. Количество полученных на графике “ступеней” соответствует количеству теоретических тарелок. Вертикальные линии — это дельта, изменение концентрации паров над тарелкой, горизонтальные — дельта концентрации конденсата на ее поверхности. Чем больше флегмово число, тем меньше нужно тарелок.
Из-за несовершенства методов расчета нередко число теоретических тарелок приходится увеличивать. Кроме того, методы не учитывают брызгоунос с тарелки на тарелку, расстояние между ними и другие факторы. Желательно при расчетах использовать калькулятор.
А теперь — вопросы, которые наверняка уже возникли.
Сколько теоретических тарелок нужно для получения дистиллята?
Труба без насадок и диаметром 3 см как бы равна теоретической тарелке высотой 25 см. Если ее заполнить СПН, высота ее теоретической тарелки составит 25 мм. То есть, увеличится площадь контакта и качество разделения в 10 раз.
Количество теоретических тарелок, достаточное для получения плохо очищенный спирт крепостью 96 о составляет 10 штук. Питьевой спирт приличного качества можно получить, если колонна разделяет, как 30-50 теоретических тарелок. И более 100 нужно, чтобы получить спирт высокой очистки, близкий к категории “Люкс”.
Но есть еще и физические тарелки (насадки, не суть важно). Одна ТТ = 2 ФТ. Следовательно, колонна должна содержать 200 ФТ, чтобы давать спирт высокой очистки.
Как рассчитать высоту теоретической тарелки?
Как рассчитать теоретическую тарелку точно? Посредством калькулятора определения числа ТТ, например, вот такого.
Как рассчитать высоту, эквивалентную теоретической тарелке?
И конечно же, выбирайте современную колонну с длинной царгой, заполненной мочалкой или СПН, у которых очень большая площадь контакта и разделяющая способность.