Ректификациялық мұнараны есептеу

Бастапқы қоспаның жылытқышы  және қайнатқыш қаныққан су буымен қыздырылады. Түзілген конденсат ЖЭО-на қайтарылады. Суытатын су тоңазытқыштарда және дефлегматорда жылытылады және суытылу үшін градирняға беріледі. Суытылған су циклға оралады.

Үздіксіз ректификацияның  периодты ректификациядан негізгі  ерекшелігі − қоректенгіш қоспаның және өнімнің алынуының ұдайылығы. Ректификация процесінде қолданылатын аппараттардың ең негізгісі ректификациялық  мұнара болып табылады. Мұнараның  биіктігі кейбір жағдайларда үлкен  мәндерге ие болғандықтан, оны жасаған  кезде кішілеу бөліктерге бөліп  – царгалардан жасайды. Бірнеше  царгалар бір-біріне жалғанып үлкен  мұнараны құрайды. Бұл мұнараны құрастыруды  жеңілдетеді.

Үздіксіз ректификация сұйықтарды көп қайтара буландыру мен  буды көп қайтара конденсациялау арқылы жүзеге асқандықтан, түрлі жылуалмастырғыштар да қолданылады.  Бинарлы қоспалардың  ректификациясы фазалардың саптамалы  мұнаралардағы үздіксіз контактіде жүзеге асырылады. Ректификациялық  мұнарадағы флегманың тұрақты мөлшерімен қамтамасыз ететін құрылғы дефлегматор  болып табылады.

Жылытқыш немесе куб мұңарадан  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.

 

 

 

 

4 Үздіксіз жұмыс істейтін ректификациялық құрылғыны жобалау

 

 

4.1 Мұнараның материалдық балансы

 

Процестің секундтық өнімділігін  келесі формула (1) арқылы табамыз

 

                                                                                                               (1)

 

                                                     .                                                         

 

Есептеулерді жүргізу  үшін бастапқы қоспаның, дистилляттың және кубтық қалдықтың концентрацияларын  массалық үлеспен береміз.

Бастапқы қоспаның концентрациясын  мольдік үлестен массалық үлеске ауыстыру үшін келесі формуланы (2) қолданамыз

 

                                                                              (2)

 

мұндағы х_F – мольдік үлеспен берілген бастапқы қоспаның концентрациясы;

М_Т.K – төмен қайнайтын компоненттің молярлық массасы – құмырсқа қышқылы, кг/моль;

М_Ж.К – жоғары қайнайтын компоненттің молярлық массасы – сірке қышқылы, кг/моль. 

 

                                                                                              

 

Дистиллят концентрациясын  мольдік үлестен массалық үлеске келесі формула  (3) көмегімен ауыстырамыз

 

                                                                          (3)

 

мұндағы х_Р – мольдік үлеспен берілген дистиллят концентрациясы;

М_Т.K – төмен қайнайтын компоненттің молярлық массасы – құмырсқа қышқылы, кг/моль;

М_Ж.К – жоғары қайнайтын компоненттің молярлық массасы – сірке қышқылы, кг/моль. 

  

                                          .

 

Кубтық қалдықтың концентрациясын  мольдік үлестен массалық үлеске келесі формула (4) көмегімен ауыстырамыз

 

                                                                              (4)

 

мұндағы х_W – мольдік үлеспен берілген кубтық қалдықтың концентрациясы;

М_Т.K – төмен қайнайтын компоненттің молярлық массасы – құмырсқа қышқылы, кг/моль;

М_Ж.К – жоғары қайнайтын компоненттің молярлық массасы – сірке қышқылы, кг/моль. 

 

                .

 

Дистилят  Р бойынша және кубтық қалдық W бойынша мұнараның өнімділігін келесі (5) формула көмегімен есептеу

 

                                                                                      (5)

 

мұндағы F – бастапқы қоспа бойынша өнімділігі, кг/с;

Р – дистилляттың массалық шығыны, кг/с;

W – кубтық қалдықтың массалық шығыны, кг/

 − дистиллят концентрациясы, масс. үлес;

− бастапқы қоспа концентрациясы, масс. үлес;

  − кубтық қалдық концентрациясы, масс. үлес.

      

Кубтық сұйықтың массалық шығымын келесі формуламен (6) анықтаймыз

 

                                                                                               (6)

 

мұндағы - дистиллят концентрациясы, масс. үлес;

- бастапқы қоспа концентрациясы, масс. үлес;

- кубтық қалдық концентрациясы, масс. үлес.

 

                                         .

 

Дистилляттың өнімінің массалық шығынын формуламен (7) анықтаймыз

 

                                                                                                          (7)

 

мұндағы − кубтық сұйықтың массалық шығымы, ;

F− бастапқы қоспа бойынша өнімділігі, кг/с.

 

P=2,44-1,616=0,824кг/с.

 

Қарастырылып отыратын бинарлы  қоспаның 0,1 МПа қысымдағы сұйықтық пен будың тепе-теңдік күйлері, қайнау температуралар туралы анықтамалық берілгендері бойынша t – х, у координаталарда құмырсқа-сірке қышқылдары қоспасының қайнау температуралар қисығын және х – у координаталарда тепе-теңдік қисығын саламыз.

 

Кесте 1 – Құмырсқа қышқылы-сірке қышқылы қоспаның 760 мм сын. бағ. қысымдағы сұйықтық (х), бу (у) және температуралардың (t) тепе-теңдік

х, % мольд	0	5	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
у, % мольд.	0	8	14,6	26	38	48,5	57,6	66	74,6	83,6	92,2	100
t, ˚C	118,1	116	115,4	112,8	110,7	108,8	107	105,4	103,9	102,5	101,4	100,5

 

Диаграммада (Қосымша А) А нүктесін табамыз. Оның координаталары: x_W=y_W= және С нүктесін, оның координаталары: x_P=y_P=. Тепе-теңдік қисығында абсциссасы x_F= болатын В´ нүктесін табамыз. С нүктесінен В´ нүкте арқылы ордината осімен қиылысу сызығын жүргіземіз. Ордината осінде алынған кесіндіні табамыз, оның мәні В_max=0,125 тең болды.

 

                                                                                                         (8)

 

Бұл формуладан

 

                                                                                                     (9)

 

  

 

Үздіксіз жұмыс істейтін ректификациялық мұнараның флегманың  минималды санын R_min есептеу үшін келесі теңдеуді (10) қолдана есептейміз

 

                                                                                             (10)

 

мұндағы =0,37 – сұйықпен тепе-тең күйдегі құмырсқа қышқылының будағы мольдік үлесі х – у диаграмма бойынша табылады (қосымша 2);

 х_Р – мольдік үлеспен берілген дистиллят концентрациясы;

х_F – мольдік үлеспен берілген бастапқы қоспаның концентрациясы.

 

                                                              

 

Ұсыныстарға сәйкес (β = 1,2÷2,5)[1,  250б.] флегманың артық коэффициентін β=1,35 мәнін аламыз.

Флегманың жұмыс санын  келесі формуламен анықтаймыз (11)

 

                                                                                                   (11)

 

                                                                    R = 1,35·5,5=7,45.

 

Бастапқы флегманың массалық шығынын келесі теңдеумен (12) анықтаймыз

 

                                                                                                       (12)

 

мұндағы – дистиляттың массалық шығыны, кг/с;

 – флегманың жұмыс  саны.

 

                                                             Ф= 0,824·7,45=6,14кг/с.

 

Қоректенудің салыстырмалы мольдік шығынын келесі формуламен (13) анықталады

 

                                                                                                     (13)

 

мұндағы х_Р     – мольдік үлеспен берілген дистиллят концентрациясы;

х_W – мольдік үлеспен берілген кубтық қалдықтың концентрациясы;

х_F – мольдік үлеспен берілген бастапқы қоспаның концентрациясы.

 

                                                            

 

Мұнараның жоғарғы бөлімінің  жұмыс сызығының теңдеуін құрастырамыз

 

 

 

  Мұнараның төменгі бөлімінің жұмыс сызығының теңдеуін құрастырамыз

 

 

  

 

 

4.2 Жылу балансын құрастыру

 

Жылулық есептеулерді орындау  үшін, бастапқы қоспаның, дистилляттың және кубтық қалдықтың қайнау температураларын және жылусыйымдылықтарын анықтаймыз. Қайнау температураны анықтау үшін, абсцисса осінде кубтық қалдық құрамын  x_W=0,03, бастапқы қоспаның құрамын x_F=0,35 және дистиллят құрамын x_P=0,85 саламыз. Алынған нүктелерден температуралар қисығына дейін вертикалды сызығын қиылысқанша жүргіземіз (сәйкесінше: А, В және С нүктелері). Бұл нүктелерден ордината осімен қиылысатын көлдеңен қисықтарын жүргіземіз. Қиылысу нүктелеріне сәйкес келетін қайнау температуралары келесі мәндерді алады: кубтық қалдық үшін t_W=117,3 ˚С , бастапқы қоспа үшін t_F=110,9˚С, дистиллят үшін t_P=102,4˚C (қосымша 1). Құмырсқа қышқылының 117,3; 110,9; 102,4˚C температурадағы жылусыйымдылықтары әрбір мәнінде бір ғана мәнге ие: 2196 Дж/(кг·К); сірке қышқылы үшін аталған температуралардағы жылусыйымдылықтары сәйкесінше келесі мәндерге ие: 2388; 2367; 2323 Дж/(кг·К) [10, c. 95].

Құмырсқа қышқылы мен  сірке қышқылымен қоспаның бастапқы қоспа, дистиллят және кубтық қалдықтың жылусыйымдылығын анықтаймыз. Дистилляттың жылусыйымдылығын келесі формула (14) арқылы анықтаймыз

 

                                                                           (14)

 

мұндағы с_Т.К – төмен қайнайтын компоненттің – құмырсқа қышқылының, меншікті жылусыйымдылығы, Дж/(кг·К);

с_Ж.К – жоғары қайнайтын компоненттің – сірке қышқылының, меншікті жылусыйымдылығы, Дж/(кг·К);

 – дистиллят концентрациясы, масс. үлес. 

 

 

Кубтық қалдықтың жылусыйымдылығын формула (15) арқылы есептейміз

 

                                                                                  (15)

 

мұндағы с_Т.К – төмен қайнайтын компоненттің – құмырсқа қышқылының, меншікті жылусыйымдылығы, Дж/(кг·К);

        с_Ж.К – жоғары қайнайтын компоненттің – сірке қышқылының, меншікті жылусыйымдылығы, Дж/(кг·К);

− кубтық қалдық концентрациясы, масс. үлес.

 

 

 

Бастапқы қоспаның жылусыйымдылығын келесі формула (16) көмегімен есептейміз

 

                                                                                 (16)

 

мұндағы с_Т.К – төмен қайнайтын компоненттің – құмырсқа қышқылының, меншікті жылусыйымдылығы, Дж/(кг·К);

с_Ж.К – жоғары қайнайтын компоненттің – сірке қышқылының, меншікті жылусыйымдылығы, Дж/(кг·К);

 − бастапқы қоспа концентрациясы, масс. үлес.

 

  

 

Флегманың булану жылуының t=102,4 ˚С температурадағы мәнін келесі формуламен (17) анықтаймыз

 

                                                                            (17)

 

мұндағы r_Т.К – төмен қайнайтын компоненттің – құмырсқа қышқылының, меншікті булану жылуының t=100,5 ˚С температурадағы мәні, кДж/кг;

r_Ж.К – жоғары қайнайтын компоненттің – сірке қышқылының, меншікті булану жылуының t=118,1 ˚С температурадағы мәні, кДж/кг[2, c. 376];

 – дистиллят концентрациясы, масс. үлес.  

 

 

Мұнарадан шығатын будың энтальпиясын формуламен (18) анықтаймыз

 

                                                                                                (18)