Ректификациялық мұнараны есептеу

Мазмұны

 

 

	Кіріспе	3
1	Ректификация процесі  туралы жалпы мәлімет	4
2	Ректификациялық аппараттардың  құрылғылары	5
3	Ректификациялық процестің  сызба нұсқасы	9
4	Үздіксіз жұмыс істейтін ректификациялық құрылғыны жобалау	11
4.1	Мұнараның материалдық балансы	11
4.2	Жылу балансын құрастыру	15
4.3	Технологиялық есептеулер	19
	Қорытынды	35
	Пайдаланылған әдебиеттер тізімі	36
	Қосымша А	37
	Қосымша Б	38

 

 

 

 

Кіріспе

 

 

Химик-технолог мамандарын дайындауда «Химиялық технологиялардың негізгі процесстері және аппараттары» пәнінің маңыздылығы зор екендігі барлығына мәлім. Себебі ол химиялық технологияларда жүретін негізгі процесстер (гидравликалық, жылулық, диффузиялық, химиялық) мен бұл процесстер орындалатын аппараттары, яғни реакторлар, туралы жалпы мағлұмат беретін пән. «Химиялық технологиялардың негізгі процесстері және аппараттары» пәні жаратылыстану ғылымдарының фундаменталды заңдарына сүйенеді және химиялық технологиялар туралы теориялық негізін атқарады.

Химиялық технологияларда  жүретін негізгі процесстердің  түрлеріне келетін болсақ, олар әр түрлі қасиеттер бойынша ажыратылады. Процесс жүрудің жылдамдығын  анықтайтын заңдарына байланысты процесстерді келесі түрлерге бөледі:

• Гидромеханикалық процесстер;
• Жылулық процесстер;
• Массаалмасу (диффузионды) процесстер;
• Химиялық (реакционды) процесстер;
• Механикалық процесстер.

Химиялық технологиялардағы  процесстердің жүру жағдайына байланысты жіктеледі:

• Периодты процесстер;
• Үздіксіз процесстер;
• Комбинирленген процесстер.

Курстық жобада қарастырылып отыратын процесс массаалмасу процессіне жатады. Массаалмасу процестердің қозғаушы күші концентрациялардың айырмасы болып табылады. Қолдану аймақтары химиялық, мұнай, газ, кокс химиялық, тамақ және жеңіл өнеркәсіптерде орын табады. Массаалмасу процестері деп бір немесе бірнеше заттардың бір фазадан екінші фазаға өтуін айтамыз. Оның келесі негізгі түрлері бар: абсорбция, айдау, адсорбция, сұйықтық экстракция, кептіру, ректификация, иондық алмасу.

Курстық жобаның негізгі мақсаты мен тақырыбы – бинарлы қоспаны бөлуге арналған үздіксіз ректификациялық қондырғының технологиялық схемасын құрастыру мен есептеу болып табылады.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Ректификация процесі туралы жалпы мәлімет

 

 

Біртекті сұйық қоспаларды қайнау температуралары әртүрлі компоненттерге жоғары деңгейде бөлу үшін ректификация қолданылады. Ректификация сұйықтарды көп қайтара буландыру мен буды көп қайтара конденсациялау арқылы жүзеге асады. Ректификацияны құрайтын процестерді, сонымен қатар олардан алынатын нәтижелерді бақылау үшін t-x-y диаграмманы қолдануға болады.   Ректификацияны мұнаралы аппараттарда жүргізеді. Оларда бу мен сұйық фазалардың арасындағы көп рет қайталанатын контактілер іске асырылады.  Ректификацияның қозғаушы күші бу фазадағы компоненттердің жұмыс пен тепе-теңдік концентрациялардың айырмасы болып табылады. Бусұйықтық жүйе тепе-теңдік күйге өтуге тырысады. Бұл күйде бу сұйықпен контактіге түскен уақытта, жеңіл ұшатын компонентпен (төмен қайнайтын); ал сұйықтық нашар ұшатын компонентпен (жоғары қайнайтын) байытылады. Сұйық пен бу қарсы ағынмен (бу үстіне қарай, ал сұйық төмен) жылжығандықтан, мұнараның жеткілікті түрдегі биіктікте таза мақсатты компонентті алуға болады. Ректификацияны үздіксіз және периодты түрде жүзеге асыруға болады. Үздіксіз ректификация үшін екі сатылы мұнараларды қолданады: жоғарғы сатысы – бекітілетін (байытылатын) сатыда бу төмен қайнайтын компонентпен байытылады.

Төменгі сатысы – таусылатын, мұнда сұйықтық төмен қайнайтын компоненттен босатылады және жоғары қайнайтын компонентпен байытылады.

Сонымен қатар ректификацияны бинарлы (екі компонентті) және көп  компонентті түрлерге жіктейді.

Бинарлы қоспалардың ректификациясы фазалардың сатылы контактіде табақты мұнараларда немесе фазалардың саптамалы мұнаралардағы үздіксіз контактіде жүзеге асырылады. Үздіксіз ректификация. Периодты ректификациядан қоректенгіш қоспаның және өнімнің алынуының ұдайылықпен ерекшелінеді. Үздіксіз ректификацияда аппараттың барлық бөлімдерде температураның мен манометриялық режимдерінің тұрақтылығы сақталады.

Периодты және үздіксіз ректификация кезінде қолданылатын аппараттың негізгі  құрылғылары контакті мұнара және дефлегматор  болып табылады.

Дефлегматордың мақсаты  – мұнараны құрамында бөлінетін компоненттер болатын қоспа ағынымен қамтамасыз ету. Аталған қоспа ағыны флегма деп аталады.

Контакті мұнараның мақсаты  – бу мен сұйық фазалардың жанасу бетін небары үлкейту. Көп ретті жалғасуы бастапқы қоспаның айтарлықтай деңгейде толықтай бөлінуіне әкеледі.

Ректификация процестерінде  негізінен келесі екі типті аппараттар қолданылады: саптамалы және табақты мұнаралар.

 

 

 

2 Ректификациялық аппараттардың құрылғылары

 

 

 

1 – мұнара; 2 – жылытқыш; 3 – дефлегматор

 

Сурет 1 − Үздіксіз жұмыс істейтін ректификациялық мұнара

 

Сонымен қатар вакуум астындағы  ректификация үшін әр түрлі құрылысты  таспалы мен роторлы мұнаралар  қолданылады.

Саптамалы, барботажды және кейбір таспалы мұнаралар ішкі құрылғылардың құрылысы бойынша (табақтар, саптамалар және т.б) абсорбциялық мұнараларға сәйкес келеді. Дегенмен абсорберлерден негізгі айырмашылығы ректификациялық мұнаралар жылуалмасу құрылғылармен - жылытқыш (куб) және дефлегматормен жабдықталған. Бұл сурет 1 бейнеленген. Сонымен қатар қоршаған ортаға кететін жылулық шығындарын төмендету үшін ректификациялық мұнараларды жылулық оқшаулағышпен қаптайды.

 

 

 

 

 

а – мұнараның үстінде; б – мұнараның үстінен төмен; 1 – дефлегматорлар; 2 – мұнаралар; 3 - сорғы.

 

Сурет 2 − Дефлегматорды байланыстыру әдістері

 

Жылытқыш немесе куб мұнарадан  шығатын сұйықтың бір бөлігін  буға айналдыру үшін және буды оның төменгі жағына (саптама немесе астыңғы табаққа) жіберу үшін қажет. Жылытқыштар жылыту беті жыланша түтікті болады немесе мұнараның астыңғы жағына бекітілген қаптама құбырлы жылуалмастырғыш ролін атқарады. Шығарылатын жылытқыштар жөндеуге және ауыстыруға ыңғайлы болып келеді. Оларды мұнарадан төмен орналастырады, бұл сұйықтардың табиғи таралуын қамтамасыз етеді. Будың конденсациялануына мен мұнараны суалтуға берілуге (флегманы) қажетті дефлегматор қаптама құбырлы жылуалмастырғыш түрінде келеді. Әдетте оның құбыр аралық кеңістікте булар конденсацияланады, ал құбырларда салқындатқыш агент (су) жүреді.

 

 

а - мұнара құрылғы схемасы; б – табақтар құрылғы схемасы; 1 - корпус; 2 - табақ; 3 – қотару құбыры; 4 - ыдыс.

 

Сурет 3 – Торлы мұнара

Дефлегматордағы булардың конденсациясы  жарым-жартылай жүрген кезде, оны тікелей мұнараның үстіне немесе мұнарадан тыс орналастырады. Бұл сурет 2 көрсетілген. Сонымен конденсатты (флегманы) төменгі жағынан гидравликалық бекітпе арқылы мұнараның үстінгі жағына жібереді. Дефлегматордағы булардың конденсациясы толық жүрген кезде, дефлегматорды мұнарадан жоғары, тікелей мұнара үстіне немесе мұнараның төбесінен төмен орналастырады. Бұл барлық құрылғының биіктігін төмендету үшін қолданылады. Аталған соңғы түрінде флегманы дефлегматордан 1 мұнараға 2 сорғы көмегімен жібереді.

Барботажды (табақты) мұнаралар. (Сурет 3). Бұндай аппараттар ректификация процестерінде кеңінен таралған. Себебі олардың өнімділігі салыстырмалы түрде жоғары болып табылады. Барботажды аппараттардың кемшілігі салыстырмалы жоғары гидравликалық кедергі болып табылады, дегенмен бұл ректификацияның жүруіне айтарлықтай ықпал жасамайды. Ректификация кезінде гидравликалық кедергі тек қысымның жоғарлауына, ал ол өз кезегінде жылытқыштағы сұйықтың қайнау температурасының жоғарлауына әкеледі.

Мұндай мұнараларда әр түрлі типті табақтар қолданылады. Мысалы, торлы, қалпақты, қақпақты, пластиналы және т.б

Торлы табақтар. (Сурет. 3). Торлы табақтары бар мұнара тік тұратын цилиндрлі корпусты және онда көлдеңен орналасқан табақтары бар мұнараны білдіреді. Мұндағы әр бір табақтың бетінде жеткілікті мөлшерде диаметрлері 1-5 мм болатын торлар орналасқан. Газ табақтың торлары арқылы өтіп сұйықтықта көбік ретінде таралады. Торлы табақтар құрылғының қарапайымдылығымен, жөндеудің жеңілдігімен, және бақылауға кабілеттігімен ерекшелінеді. Бұл табақтардың гидравликалық кедергісі төмен. Анықталған газ және сұйық бойынша жүктемеде торлы табақтардың эффективтілігі айтарлықтай жоғары болады. Сонымен қатар торлы табақтар тұнбаларға мен ластаушыларға тәуелді болады, себебі олар торларды жабады.

 

 

Сурет 4 − Қалпақты табақтың жұмыс істеу сызбасы

 

Қалпақты табақтар. Қалпақты табақтар. Олар ластаушы заттарға аса тәуелді емес, және жұмыс істеу тұрақтылық аралығының кең мәнімен ерекшелінеді. Газ табаққа келте құбырлар арқылы жіберіліп, жеке көптеген ағындарға бөлінеді. Содан кейін газ табақта жылжитын сұйықтың қабаты арқылы өтеді. Қабат арқылы жүрген кезде кішкентай ағындардың бір бөлігі айырылып, газ сұйықтықта көпіршіктер түрінде таралады. Аталған соңғы түрінде флегманы дефлегматордан мұнараға сорғының көмегімен жібереді.

Қалпақты табақтарды сұйықты  радиалды немесе диаметралды құлпырумен жасайды. Жүктеменің газ не сұйық  бойынша жеткілікті түрде өзгеруі  кезінде қалпақты табақтар тұрақты  жұмыс істейді. Олардың кемшілігі  құрылғының күрделілігі мен қымбаттылығы мен тазартудың қиындылығы болып  табылады.

Қақпақты табақтар. (сурет. 5). Қақпақты табақтардың жұмыс істеу принципі тордың үстінде бос жатқан дөңгелек қақпақ газдың шығынына байланысты өзінің салмағымен қақпақ пен табақ бетінің арасындағы газ өтетін бос ауданының мөлшерін өздігінен реттейді. Бұл газдың барботажды қабаттағы  жылдамдығын тұрақтандырады.

 

 

а, б – дөңгелек қақпақты; в, с пластиналы қақпақтармен; г – балластты; 1 – қақпақ; 2 – кронштейн-шектеуші; 3 – балласт.

 

Сурет 5 – Қақпақты мұнаралар

 

Сонымен мұнарадағы газ жылдамдығының  өсуімен қақпақты табақтың гидравликалық кедергісі аса өзгермейді. Әдетте қақпақтың көтерілу биіктігі кронштейн биіктігінен 8 мм аспайды. Қақпақты табақтардың артықшылығы газ бойынша салыстырмалы жоғары өткізу қабілеті мен гидродинамикалық тұрақтылық және тұрақты жоғары эффективтілік болып табылады.

 

 

 

 

 

3 Ректификациялық процестің сызба нұсқасы

 

 

Ректификациялық құрылғыны сипаттау

 

 

Сурет 6 – Ректификациялық құрылғының принципиалды схемасы

 

Ректификациялық құрылғының принципиалды сызба-нұсқасы сурет (6) көрсетілген. Бастапқы қоспа аралық сыйымдылықтан 9 ортадан тепкіш сорғы 10 көмегімен жылуалмастырғыш 5 жіберіледі. Онда бастапқы қоспа өзінің қайнау температурасына дейін қыздырылады. Қайнатылған қоспаны бөлу үшін ректификациялық мұнараға – қоректенгіш табаққа жібереді, қоректенгіш табақтағы сұйықтықтың құрамы бастапқы қоспаның құрамына сәйкес келеді.

Мұнара бойымен астына қарай ағып келе жатқан сұйықтық қайнатқышта 2 кубтық сұйықтық қайнағаннан пайда болатын және үстіне көтерілетін бумен әрекеттеседі. Будың бастапқы құрамы шамамен кубтық қалдыққа тең, яғни оның құрамында жеңіл қайнайтын компонент мөлшері аз. Будың сұйықтықпен массаалмасу процесі нәтижесінде бу төмен қайнайтын компонентпен байытылады. Байытуды жоғарлату үшін мұнараның үстінгі жағын дефлегматордан  3 будың конденсацияланудан алынатын сұйықтықпен суарылады. Сұйықтықтың құрамы белгіленген флегмалық санға тең болады, яғни флегмамен байытылады. Кейін сұйықтық флегманы бөлгішке 4 жіберіледі. Конденсаттың бір бөлігі таза өнім ретінде дефлегматордан шығарылады, жылу алмастырғышта 6 суытылады және сорғының 10 көмегімен дистиллят қабылдағышта жиналады. Мұнараның кубтық бөлімінен сорғы 10 көмегімен үздіксіз кубтық сұйықтық шығарылады. Ол жоғары қайнайтын компонентпен байытылған, қалдық тоңазытқышта 7 суытылады және сыйымдылыққа 8 жіберіледі. Сонымен ректификациялық мұнарада үздіксіз бастапқы бинарлы қоспаның дистиллятқа (төмен қайнайтын компонентке) және кубтық қалдыққа (жоғары қайнайтын компонентке) бөлу процесі жүреді.