Чиллер для ректификационной колонны: расчёт дефлегматора

Чиллер для ректификационной колонны считают по нагрузке дефлегматора и конденсатора: весь пар, который поднимается с верхней тарелки, нужно сконденсировать, а это дистиллят вместе с флегмой. Нагрузка равна произведению потока дистиллята на флегмовое число плюс единица и на теплоту парообразования. Калькулятор посчитает холодопроизводительность по дистилляту, флегмовому числу и веществу и покажет расход воды.

Откуда берётся тепло

• Конденсация пара. На верх колонны идёт поток пара D × (R + 1): дистиллят D отбирают, флегму D × R возвращают. Каждый килограмм пара отдаёт скрытую теплоту парообразования r — у этанола около 850 кДж/кг, у воды 2260. Это основная нагрузка.
• Переохлаждение дистиллята. Конденсат остужают от температуры кипения до температуры хранения, обычно 20–30 °C; это ещё несколько процентов.
• Продуктовые холодильники. Кубовый остаток и боковые отборы тоже охлаждают, если их отправляют на склад, а не на следующую стадию; их считают по той же формуле, что и переохлаждение.
• Вакуумный насос. У вакуумной ректификации его кольцо охлаждают отдельно — задача о чиллере для вакуумного насоса.

Тепло дефлегматора почти равно теплу, которое кипятильник подвёл в куб: колонна только переносит его сверху вниз. Поэтому если известна мощность кипятильника, нагрузку на чиллер оценивают по ней, вычитая потери колонны. Периодическую отгонку из куба считают как охлаждение загрузки в задаче о чиллере для реактора.

Формула

Q_к = D × (R + 1) × r / 3600

Q_п = D × c × (t_кип − t_д) / 3600

Q = (Q_к + Q_п) × (1 + k / 100)

G = Q / (1,163 × 5)

D — отбор дистиллята, кг/ч; R — флегмовое число; r — теплота парообразования, кДж/кг, по таблице; Q_к — нагрузка конденсации, кВт; c — теплоёмкость жидкого дистиллята, кДж/(кг·°C); t_кип — температура кипения, °C; t_д — температура дистиллята после холодильника, °C; Q_п — нагрузка переохлаждения, кВт; k — запас, %; Q — холодопроизводительность чиллера, кВт; G — расход воды, м³/ч, при нагреве на 5 °C, как в расчёте мощности по расходу и температурам.

Воду на дефлегматор дают 15–25 °C: при атмосферной ректификации пар конденсируется при 56–111 °C, и холодная вода не нужна. Под вакуумом температура конденсации падает, и для низкокипящих растворителей воду берут 5–10 °C или гликоль — тогда чиллер подбирают индивидуально, как низкотемпературный.

Пример расчёта

Колонна даёт 200 кг/ч этанола при флегмовом числе 3, дистиллят охлаждают до 30 °C, вода 15 °C, запас 15 %.

1. Конденсация: 200 × (3 + 1) × 850 / 3600 = 188,89 кВт.
2. Переохлаждение: 200 × 2,5 × (78 − 30) / 3600 = 6,67 кВт.
3. Сумма: 188,89 + 6,67 = 195,56 кВт.
4. Холодопроизводительность: 195,56 × 1,15 = 224,89 кВт, округлённо 224,9 кВт.
5. Расход воды: 224,89 / (1,163 × 5) = 38,7 м³/ч.

Как выглядит установка на 224,9 кВт — компрессоры, потребление, расход воды, габариты и масса — показано на странице чиллера 220 кВт; температуру воды там задают свою.

Типовые ошибки

• Считать по дистилляту без флегмы. При флегмовом числе 3 через дефлегматор идёт вчетверо больше пара, чем отбирают. Чиллер по дистилляту в четыре раза меньше нужного, и колонна «захлёбывается» несконденсированным паром.
• Брать теплоту парообразования воды для всего. У спиртов и растворителей r в 3–6 раз меньше, чем у воды: по воде чиллер выходит многократно завышенным. Для смесей r берут по составу пара на верху колонны.
• Открытый контур с дефлегматором. Трубки дефлегматора зарастают накипью от сырой воды, и колонна теряет производительность летом. Контур делают закрытым, через промежуточный теплообменник, с водой по справочнику о воде для чиллера.
• Нет запаса на пусковой режим. При выходе на режим колонну держат на полной флегме, R стремится к бесконечности, и нагрузка на дефлегматор равна полной мощности кипятильника. Чиллер считают на этот режим или ограничивают нагрев на пуске.