Здесь я рассматриваю вариант, в котором тепло подводят и отводят по длине контактной трубки, а не только в кубе и верхнем конденсаторе. Стекающая по стенке жидкая плёнка частично испаряется в нагреваемых участках. В охлаждаемых участках часть восходящего пара конденсируется на плёнке и присоединяется к нисходящей жидкости. Поэтому локальный обмен веществом зависит также от распределения тепла.
В книге под редакцией Вайсбергера Боумен и Типсон описывают вертикальную пустую трубку с чередованием электрического нагрева и воздушного охлаждения. На схеме я выделяю её функциональный участок: где рождается дополнительный пар, с чем он смешивается и где снова конденсируется. Горизонтальная протягиваемая трубка из соседнего описания — другой аппарат.
Зачем нужно смешение свежего и основного пара
В книжном объяснении пар, полученный в нагретой зоне, смешивается с восходящим потоком. Следующая холодная зона конденсирует часть именно смешанного пара, а не исключительно только что испарившуюся порцию. Так последовательность участков влияет на оба встречных потока.
При недостаточном смешении может возникнуть короткий локальный цикл: испарение из плёнки, подъём вдоль стенки и конденсация в следующей холодной зоне. Основная масса пара при этом проходит по осевой области. Авторы связывают отсутствие ожидаемого обогащения с этой рециркуляцией. Я отделяю эту неудачную рециркуляцию от полезного повторного испарения: важен не сам факт нового фазового перехода, а состав потока, с которым он связан.
При этом я учитываю и другую крайность: сильное продольное перемешивание сглаживает различия состава между высотами. Различие межфазного переноса и осевого смешения уже разобрано отдельно. Полезное включение свежего пара в местный поток не равно перемешиванию всего содержимого колонны вдоль её высоты.
От пустой трубки к комбинированному аппарату
В патенте US3240682A 1966 года описан более поздний комбинированный аппарат: чередующиеся нагреваемые и охлаждаемые зоны соединены с выступающими внутрь стеклянными контактными элементами. Горячие участки выполняют роль местных кипятильников, холодные — частичных конденсаторов. Здесь я различаю два приёма усиления контакта: распределение тепла и дополнительные внутренние поверхности. Выступы принадлежат патентному варианту, поэтому на схему пустой трубки я их не добавляю.
Нагрев и охлаждение требуют отдельных потоков энергии. Само по себе увеличение числа зон не даёт бесплатного разделения: лишний нагреватель ещё не становится лишней теоретической тарелкой. Для сравнения я сопоставляю составы продуктов, извлечение, суммарный подвод и отвод тепла, давление, нагрузки и время воздействия на вещество. «Тепловое число» относится к выбранному тепловому балансу. Я не подставляю его вместо числа теоретических тарелок и не переношу эффективность исторического опыта на другой аппарат без сопоставления условий.
Связи
- Колонки со смоченной поверхностью: геометрия плёнки и рабочего парового канала.
- Ректификация: составы встречных потоков и результат разделения.
Другой механизм: термическая колонка с вращающимся охлаждаемым конденсатором.
Самостоятельный разбор: Фракционирование в движущейся запаянной трубке.
Источники и материалы
Источники
- Боумен Д., Типсон Р. В кн.: «Перегонка» / под ред. А. Вайсбергера, 1954, с. 396–398: термическая ректификация, чередование нагрева и охлаждения, смешение потоков и тепловое число.
- Rectification still, US3240682A, 1966. Чередование горячих и холодных зон в сочетании с внутренними контактными выступами.
- Golovanchikov и соавт.,2019, продольная диффузия при ректификации: аналитическая модель влияния осевого перемешивания на разделение; не испытание исторической трубки.