ТЕХНОЛОГИЯЛЫҚ ҚОНДЫРҒЫНЫҢ СИПАТТАМАСЫ
АННОТАЦИЯ
Бұл курстық жұмыста ректификациялык калонна есептелінген.
Жұмыстың түсіндірме жазбасы келесі бөлімдерден тұрады:
- мазмұны;
- аннотация;
- нормативтік сілтеме
- анықтамалар, белгілеу және қысқарту;
-кіріспе;
- әдебиетке шолу;
- технологиялық тәсілімді жазу;
- негізгі аппаратты есептеу;
- қорытынды;
- пайдаланылған әдебиеттер.
Тараулары орындалды
НОРМТИВТІК СІЛТЕМЕ
ГОСТ 12.2.003-74-Өндірістік жабдықтар.Жалпы қауіпсіздік талаптары.
ГОСТ 23.291-79. Болаттан пісірілген аппараттар мен бөлшектер.
ГОСТ 380-71– аппарат корпусының болаттан жасалынған бөлігі.
ГОСТ 481-71 Төсемелер порониттен жасалған ПОН-1.
ГОСТ 5949-75 Бөлу сұйықтығы немесе булармен жанасатын колонна бөлшектері мен табақша материалы Х12Н10Т.
АНЫҚТАМАЛАР, БЕЛГІЛЕУЛЕР ЖӘНЕ ҚЫСҚАРТУЛАР
Ректификация тәсілі – сұйық қоспаны құрастырушыларға толық ажырату үшін айдаудың күрделі тәсілі.
Колоннаның жоғары жағынан шығатын бу негізінен ТҚ-дан құралған болады. Бұл бу бөлек аппаратта конденсацияланып екі бөлікке бөлінеді. Бір бөлігі дистиллят немесе ректификат деп аталады. Екінші бөлігі флегма деп аталады да, ол аппаратқа қайтадан беріледі. Флегма негізінен ТҚ-дан құралған болады да, колоннадан жоғары қарай көтерілетін бумен жанасады.
Кубтық қалдық – колоннаның төменгі жағындағы, негізінен ЖҚ-дан құралған сұйық.
Жоғарғы бөлігі – қоректенуші табақшадан жоғарғы табақшаға дейінгі колоннаның бөлігі. Бұл бөлікте дефлегматорға баратын будың құрамы ТҚ-мен барынша нығайтылуы (байытылуы) керек. Сондықтан колоннаның бұл бөлігін нығайтылу немесе жоғарғы бөлігі деп атайды.
Флегма саны –флегма мөлшерінің дистиллят мөлшеріне қатынасы.
Қайнатқыш немесе куб колоннаның төменгі жағындағы сұйықтың бір бөлігін қайнатып буға айналдыру үшін және осы буды колоннаның астыңғы жағына беру үшін арналған.
а - меншікті бет, м2/м3;
Д - диффузия коэффициенті, м2/с;
d - диаметр, м;
Ғ - бастапқы қоспа мөлшері, кг/с;
G - бу фазасының мөлшері, кг/с;
g - еркін түсу үдеуі, м2/с;
Н, һ - биіктік, м;
К - масса өту коэффициенті;
L - сүйық фаза мөлшері, кг/с;
М - мольдік масса, кг/моль;
m- таралу коэффициенті;
N - бөліну сатыларының теориялық саны;
n-тасымалдау бірлігінің саны;
Р - дистиллят мөлшері, кг/с;
К - флегма саны;
Т,t - температура, град;
U - сүйықтандыру тығыздығы, м3(м2с);
W - кубтық сұйық мөлшері, кг/с;
w - бу мөлшері, м/с;
х - сұйық фаза концентрациясы;
у - бу фаза концентрациясы;
Р - масса беру коэффициенті;
β - бос көлем, м3/м3;
μ- тұтқырлық, Пас;
р - тығыздық, кг/м3;
δ - беттік керілу, Н/м;
ψ - сұйықтану коэффициенті;
Re - Рейнольдс (критенриі) ұқсастық саны;
Ғг - Фруд ұқсастық саны;
Гс - гидравликалық кедергі ұқсастық саны;
Nu' - Нуссельт диффузиялық ұқсастық саны;
Рг' - Прандтль диффузиялық ұқсастық саны;
σ - Ацетон параметрі;
Т - Су параметрі;
В - колоннаның (жоғарғы) нығайту бөлігі;
Н - колоннаның (төменгі) жетілдіру бөлігі;
Ғ - бастапқы қоспа параметрі;
Р - дистиллят параметрі;
w- кубтық сүйық параметрі;
х –сұйық фаза;
у - бу фазасы;
ор — орташа мөлшер;
э - эквивалент өлшем (балама).
КІРІСПЕ
Сұйық қоспаны құрастырушыларға толық ажырату үшін айдаудың күрделі тәсілі – ректификация тәсілі.
Ректификация процесі қоспаны буландырғанда пайда болған будың, оны конденсациялағанда пайда болған сұйықпен көп рет жанасу нәтижесіндегі массаның алмасуына негізделген.
Бұл процесс колонналы аппаратта өткізіледі. Сұйық фазадан төменгі құрастырушы буға өтеді, ал бу фазадан жоғары құрастырушы сұйыққа өтеді. Сонымен, колоннадағы жоғары көтерілетін бу ТҚ-мен, ал төмен қарай ағатын сұйық ЖҚ-мен байытылады. Колоннаның жоғары жағынан шығатын бу негізінен ТҚ-дан құралған болады. Бұл бу бөлек аппаратта конденсацияланып екі бөлікке бөлінеді. Бір бөлігі дистиллят немесе ректификат деп аталады. Екінші бөлігі флегма деп аталады да, ол аппаратқа қайтадан беріледі. Флегма негізінен ТҚ-дан құралған болады да, колоннадан жоғары қарай көтерілетін бумен жанасады. Колоннаның төменгі жағындағы, негізінен ЖҚ-дан құралған сұйық кубтық қалдық деп аталады.
Қазіргі кезде химиялық технологияның көптеген салаларында (изотоптар, органикалық синтез, полимерлер, жартылай өткізгіштер және т.б. әртүрлі жоғары тазалықты заттар өндірісінде) ректификация тәсілі кеңінен қолданылуда. Сонымен бірге, спирт, мұнай және синтетикалық каучук, вино, эфирлі майлар өндірістерінде де пайдаланылады
ДЕБИЕТТІК ШОЛУ
Сұйық қоспаны құрастырушыларға толық ажырату үшін айдаудың күрделі тәсілі – ректификация тәсілі.
Ректификация процесі қоспаны буландырғанда пайда болған будың, оны конденсациялағанда пайда болған сұйықпен көп рет жанасу нәтижесіндегі массаның алмасуына негізделген.
Бұл процесс колонналы аппаратта өткізіледі. Сұйық фазадан төменгі құрастырушы буға өтеді, ал бу фазадан жоғары құрастырушы сұйыққа өтеді. Сонымен, колоннадағы жоғары көтерілетін бу ТҚ-мен, ал төмен қарай ағатын сұйық ЖҚ-мен байытылады. Колоннаның жоғары жағынан шығатын бу негізінен ТҚ-дан құралған болады. Бұл бу бөлек аппаратта конденсацияланып екі бөлікке бөлінеді. Бір бөлігі дистиллят немесе ректификат деп аталады. Екінші бөлігі фигма деп аталады да, ол аппаратқа қайтадан беріледі. Фигма негізінен ТҚ-дан құралған болады да, колоннадан жоғары қарай көтерілетін бумен жанасады. Колоннаның төменгі жағындағы, негізінен ЖҚ-дан құралған сұйық кубтық қалдық деп аталады.
Қазіргі кезде химиялық технологияның көптеген салаларында (изотоптар, органикалық синтез, полимерлер, жартылай өткізгіштер және т.б. әртүрлі жоғары тазалықты заттар өндірісінде) ректификация тәсілі кеңінен қолданылуда. Сонымен бірге, спирт, мұнай және синтетикалық каучук, вино, эфирлі майлар өндірістерінде де пайдаланылады.
Ректификация процесінің мәні t - xy диаграммасы жәрдемімен түсіндіруге болады.
Концентрациясы х1 бастапқы қоспа қайнау температурасы t1-ге дейін ысытылғанда, сұйықтықпен тепе-теңдікте болатын бу (в - нүкте) алынады. Бу конденсациялағанда концентрациясы х2-ге тең сұйық пайда болады.
Бұл сұйық t2 температураға дейін ысытылғанда бу (d – нүкте) пайда болады және ол конденсацияланғанда концентрациясы х3 сұйық алынады және т.с.с. Сонымен, сұйықтың булану және будың конденсациялану процестерін кезегімен бірнеше рет өткізіп, таза ТҚ-дан құралған сұйық (дистиллят) алуға болады.
Ректификация процесін қарапайым көп сатылы қондырғыда өткізуге болады:
І – сатыда бастапқы қоспа буланады;
ІІ – сатыға І – сатыда қалған сұйық беріліп буланады;
ІІІ – сатыға ІІ – сатыда қалған сұйық беріледі және т.с.с. Осылай көптеген сатылардан ТҚ-мен байытылған бу және ЖҚ-мен байытылған сұйық алуға болады. Бірақ мұндай қондырғылар үлкен және олардағы жылу шығыны көп болады; дистиллят пен қалдық аз мөлшерде алынады.
Сұйық қоспаларын ықшамды ректификациялық колонналарда толық ажырату экономикалы тиімді. Ректификация процесі өзара тепе-теңдікте емес сұйық және бу фазаларының ағындарын бірнеше рет жанастыру арқылы өткізіледі. Бұл фазалардың көп рет жанасуының арқасында бу ТҚ-мен, ал сұйық ЖҚ-мен байытылады.
Ректификация процесі мерзімді және үздіксіз әрекетті қондырғыларда әртүрлі қысымда (атмосфералық, вакумда және атмосфералық қысымнан жоғары) өткізіледі.
Жоғары температурада қайнайтын қоспаларды вакумда, ал қалыпты температурада газ күйінде болатын қоспаларды жоғары қысымда ажыратады.
Ректификациялық қондырғылардың тәсілдері
Мерзімді әрекетті қондырғылар (1-сурет).
Бастапқы қоспа кубқа (1) құйылады. Кубтың ішіне ирек құбыр орнатады. Ирек құбыр арқылы арқылы ысытатын бу беріліп, қоспа қайнау темперетурасына дейін ысытылады. Кубта пайда болған бу колоннаның (2) төменгі жағына беріледі. Колонна ішіне табақшалар немесе насадкалар орнатылады. Колоннаның жоғары жағына флегма беріледі. Сонымен колоннада бу және сұйық фазалар арасында масса алмасу процесі өтеді. Будағы жоғары температурада қайнатын құрастырушы /ЖҚ/ конденсацияланады, бұл кездегі бөлінген жылу флегмадағы төменгі температурада қайнайтын құрастырушының (ТҚ) булануына жұмсалады.
Бу колонна бойынша жоғары көтерілген бұл процесс көп рет қайталанады. Осының нәтижесінде көтерілген бу ТҚ-мен байытылып, дефлегматорда (3) конденсацияланады. Дефлегматордан шыққан сұйық екі бөлікке бөлінеді:
бір бөлігі – флегма деп аталады, ол колоннаға қайта беріледі, ал екінші бөлігі – дистилят суытқыш (4) арқылы жинағышқа беріледі. Флегма төмен қарай ағып сифон арқылы кубқа беріледі. Сонымен ректификация нәтижесінде қоспа құрастырушыларға толық ажыратылады: ТҚ дистиллят (өнім) түрінде жинағышқа жиналады, ЖҚ кубтық қалдық түрінде кубта қалады.
Кубтық қалдықтың концентрациясында процесс тоқтатылады да, қалдық кубтан шығарылады. Қалдықтың қажетті концентрациясын оның қайнау температурасымен анықтайды. Мерзімді әрекетті ректификацияда концентрация уақыт бойынша өзгереді. Сондықтан, алынатын өнімнің концентрациясы тұрақты болу үшін процесті флегма санын өзгерту арқылы өткізеді. Егер флегма саны тұрақты болса, онда өнімнің концентрациясы біртіндеп азаяды. Мұның барлығы мерзімді процесті басқарудың және есептеудің қиындығына әкеліп соғады.
1-сурет. Мерзімді әрекетті ректификация қондырғысының тәсімі:
1-ысытқыш; 2-ректификациялық колонна; 3-дефлегматор; 4-флегма бөлгіш; 5-суытқыш; 6,7-жинағыш.
Үздіксіз әрекетті қондырғы (2.-сурет)
Бастапқы қоспа әдетте ысытқышқа (1) қайнау температурасына дейін ысытылып, колоннаның қоректенуші табақшасына беріледі. Қоректенуші табақша колоннаны екі бөлікке бөледі:
І) жоғарғы бөлігі – қоректенуші табақшадан жоғарғы табақшаға дейін. Бұл бөлікте дефлгматорға баратын будың құрамы ТҚ-мен барынша нығайтылуы (байытылуы) керек. Сондықтан колоннаның бұл бөлігін нығайтылу немесе жоғарғы бөлігі деп атайды.
ІІ) төменгі бөлігі – қоректенуші табақшадан ең төменгі табақшаға дейін. Бұл бөлікте барынша сұйықтағы ТҚ-ны тауысу керек, сөйтіп оны ЖҚ-мен жетілдіру керек, яғна кубқа құрамы жағынан ЖҚ-ға жақын сұйық берілуі керек. Сондықтан колоннаның бұл бөлігін тауысу немесе төменгі бөлігі деп атайды.
Колоннадан төменнен жоғары қарай қайнатқыш-кубтан (4) шыққан бу көтеріледі. Қайнатқыш-куб колоннадан тыс немесе оның төменгі жағына орналасуы мүмкін. Әр табақшада будан ЖҚ конденсацияланып, сұйықтан ТҚ буланады. Сонымен, қайнатқыш-кубтан көтерілетін негізінен ЖҚ-дан құралған бу колоннадан шыққанша ТҚ-мен байытылады.
Дефлегматорда (3) суық сумен бу конденсацияланады. Бұл конденсат бөлгіште (8) екі бөлікке – дистиллят (жоғарғы өнім) және флегмаға бөлінеді. Флегма колоннаға қайтарылып беріледі және онда бумен жанасып, ЖҚ-мен байытылады. Қайнатқыш – кубтан кубтың қалдық (төменгі өнім) жинағышқа (6) беріледі. Дистилят суытқыш (5) арқылы жинағышқа (7) беріледі.
Колоннаның төменгі жағынан шығатын қалдық екіге бөлінеді: бір бөлігі қайнатқыш кубқа беріледі де, ал екінші бөлігі суытқышта суытылып жинағышқа (6) беріледі. Үздіксіз әрекетті ректификациялық қондырғылар өлшегіш-бақылағыш және басқару құралдарымен (приборлармен) жабдықталады. Бұл құралдар жәрдемімен құрылғының жұмыс істеуін автоматты түрде басқару және процесті тиімді режимде өткізу мүмкіндігі туады.
2-cурет.Үздіксіз әрекетті ректификация қондырғысының тәсімі: 1-бастапқы қоспа үшін ыдыс;2,9-насостар;3-жылуалмастырғыш-қыздырғыш;4-қайнатқыш;5-ректификациялық колонна;6-дефлегматор; 7-дистиллят мұздатқышы;8-дистиллят жинау үшін ыдыс;10-кубтық сұйық мұздатқышы; 11-кубтық сұйық үшін ыдыс.
Ректификацияық аппараттың түрлері
Ректификациялық қондырғыларда негізінене екі түрлі апппараттар қолданылады:
а) табақшалы
ә) насадкалы және қабықшалы
Мұндай аппараттар ішкі құрылымдары жағынан абсорберлерге ұқсас. Дегенмен абсорберлерге қарағанда ректификациялық аспаптар жылу алмастырғыштармен (куб, дефлегматор) жабдықталған. Сонымен қатар қоршаған ортаға жылу шығыны аз болуы үшін жылу оқшаулағышпен қапталған болады.
Қайнатқыш немесе куб колоннаның төменгі жағындағы сұйықтың бір бөлігін қайнатып буға айналдыру үшін және осы буды колоннаның астыңғы жағына беру үшін арналған. Оның жылу беті колоннаның төменгі жағына орнатылған қаптама-құбырлы жылу алмастырғыштан жасалады.
Дефлегматор қаптама-құбырлы жылу алмастырғыш болып, оның құбырлар арасындағы кеңістігінен конденсацияланатын бу, ал құбырлар ішінен суытатын сұйық (су) өтеді. Будың тек бір бөлігі ғана конденсацияланса, онда дефлегматорды тікелей колоннаның жоғарғы жағына немесе колоннадан тыс орнатады.
Табақшалы (барботажды) колонналар ректификацияда жиі қолданылады. Мұндай аппараттар үлкен өнімділікті және бу мен сұйық көлемдері үлкен аралықта өзгеретін қондырғыларда қолданылады. Олардың
гидравликалық кедергісі үлкен. Себебі, ректификациядағы гиравликалық кедергінің үлкеюі тек қайнатқыштағы қысымның, яғни сұйықтың қайнау температурасын ғана үлкейтеді. Дегенмен, вакумдағы ректификация үшін гидравликалық кедергі аз болуы керек.
Насадкалы колонналардың гидравликалық кедергінің аздығынан вакумда ректификацияда маңызы күшті. Мұндай колонналар аппараттағы қысымдар айырмасы аз болғанда және үлкен мөлшерде сұйықтың ұстанып қалуы қажет болғанда қолданылады. Өндірісте -Рашиг, Палль сақиналары, Берль ері және басқа насадкалар жиі қолданылады.
Үлкен диаметрлі колонналарда насадка бойымен сұйық біркелкі таралмайды, сондықтан, өндірістегі насадкалы ректификациялық колонналардың диметрлері әдетте 0,8 :1,0 м-ден аспайды.
Қабықшалы колонналар ысытқанда термиялық биіктігі аз (мысалы, әртүрлі мономер және полимерлер және т.б. органикалық синтездің өнімдері) қоспаларды вакумда ректификациялау үшін қолданылады.
Мұндай аппараттардың қатарына диаметрі 6 : 20мм көп тік құбырлардан немесе жазық параллель көптесікті металл торларынан құралған ретті насадкалы және роторлы-қабықшалы аппараттар жатады.
3-сурет.Үздіксіз әрекетті ректификациялық колоннаның жылу балансына :1-колонна; 2-қайнатқыш куб; 3-дефлегматор.
Мұндағы І, іF, іф, іw – колоннадан шығатын будың , бастапқы қоспаның, фигманың және кубтық қалдықтың энтальпиялары.
Сонымен жылу балансы:
(1)
Q-лардың және GF=GP+GW, Gбу=GP(R+1) және Gф=RGp мәндерін орнына қойсақ:
(2)
Бұл баланстан қайнатқыш кубқа – кубқа берілетін жылу мөлшерін анықтаймыз:
(3)
(1.6а) – теңдеуіндегі қайнатқышқа берілген жылу дистилятты булатуға
Gp (І - іF), фигманы булатуға Gp R (І - іф), кубтық қалдықты қайнау температурасына дейін ысытуға Gw (іw - іF) және қоршаған ортаға шығындалатын жылудың орныны толтыруға жұмсалады. Фигма дефигматордан колоннаға қайнау температурасында беріледі, яғни І = іф + rф
Мұнда rф – флегманың булану жылуы. Қоршаған ортаға шығындалған жылу 3 – 5% -дай етіп қабылдауға болады, немесе
Осы мәндерін (1.6а) теңдеуге қойып төмендегіні анықтаймыз:
(4)
Мұнда an=0,03÷0,05
Дефлегматордан суытатын сумен алынатын жылу мөлшері (толық конденсацияланғанда):
Qдеф = G (R+1) rф = Gp(R+1) (І - іф) (5)
ТЕХНОЛОГИЯЛЫҚ ҚОНДЫРҒЫНЫҢ СИПАТТАМАСЫ
Ректификациилық қондырғының принциптік тәсімі.
Методикалық нұсқауда масса алмасудың модифициралық теңдеуін (тасымалдау бірлігінің биіктігі және тасымалдау бірлігінің саны әдісі) қолдануымен насадкалы (Инталокс) және графоаналитикалық әдіспен табақшалар санын анықтаумен табақшалы (торлы табақшалы) колонна есептерінің мысалдары келтірілген.
Ректификаңиялық қондырғының принциптік тәсімі (5 суретте көрсетілген). Бастапқы қоспаны қосалқы ыдыстан (1) ортадан тепкіш насос (2) арқылы жылуалмастырғышқа (3) береді. Ол жерде қоспа қайнау температурасына дейін қыздырылады. Қыздырылған қоспа Хт құрамына тең болатын ректификациялық қоспаның қоректенуші табақша бөліміне (5) түседі. Колонна бойымен төмен қарай тамшылап жатқан сұйық кубтық сұйықтың қайнауы нәтижесінде қайнатқышта (4) пайда болып, жоғары көтеріліп жатқан бумен әрекеттеседі. Бұдан бастапқы құрамы шамамен кубтық қалдық (Хw) құрамына тең. Сүйықпен масса алмасу нәтижесінде бу жеңіл ұшатын компонентке байиды. Толық байыту үшін колоннаның жоғаргы бөлігін колоннадан шығатын бу конденсациясы жолымен, дефлегматорда (6) алынатын Хр құрамындағы сұйықтың берілген флнгма санына сәйкес байытады.
Конденсаттың бір бөлігі жылу алмастырғышта (7) суытылатын және аралық ыдыста (8) бағытталатын дистиллят бөлудің дайын өнім түрінде дефлегматордан шығарылады.
Колоннаның кубтық бөлімінен насос (9) арқылы кубтық-өнім шығарылады. Ол қиын ұшатын компоненттермен байытылып, жылу алмастырғышта (Ю) суытылатын және ыдысқа (11) жіберілетін қиын компонентпен байытылған.
Осылайша ректификациялық колоннада бастапқы бинарлы қоспаны дистилятқа (құрамында көп мөлшерде жеңіл ұшатын компоненттердің болуымен) және кубтық қалдыққа (қиын ұшатын компоненттермен байытылған) үздіксіз тұрақсыз болу процесі жүзеге асырылады.
Сурет -5. Ректификациялық қондырғының принциптік тесімі:
1-бастапқы қоспа үшін ыдыс;2,9-насостар;3-жылуалмастырғыш-қыздырғыш;4-қайнатқыш;5-ректификациялық колонна; 6-дефлегматор;7-дистиллят мұздатқышы;8-дистиллят жинау үшін ыдыс;10-кубтық сұйық мұздатқышы; 11-кубтық сұйық үшін ыдыс.
НЕГІЗГІ АППАРАТТЫ ЕСЕПТЕУ
Жобалауға тапсырма.
Хлороформ- төртхлорлы көмір қоспасын бөлу үшін үздіксіз әрекетті ректификациялық колоннаны есептеу . Егер бастапқы қоспа өнімділігі F=17 т/сағ; жеңіл ұшатын компоненттің мөлшері (% масс); бастапқы қоспада Хf=34, дистилятта Хр =95, Xw =1,9; Насадкалы; Бинарлы қоспа Хлороформ- төртхлорлы көмір.
1. Үздіксіз әрекетті насадкалы ректификациялық колоннаны есептеу.
Ректификациялық колонна есебі негізгі өлшемдері диаметр мен биіктікті анықтауға алып келеді. Бұл параметрлер , өз кезегінде, фазаның жылдамдығы мен физикалық қасиетіне, сонымен бірге насадка типіне және өлшеміне тәуелді колоннаның гидродинамикалық жұмыс режимімен анықталады.
1 кестеде 1 Қосымшада насадканың түрлі типтерінің негізгі міндеттемелері көрсетілген. Масса алмасу аппараттары үшін насадка типін анықтау келесі пікірлерді қолданумен жүзеге асырылады. Неғұрлым насадка элементінің өлшемі үлкен болса, соғұрлым оның бос көлемі (нақты қимасы) де үлкен және соғұрлым өнімділігі жоғары болады. Сондықтан үлкен өлшемді насадканы жоғары өнімділік және бөлу өнімі салыстырмалы төмен тазалау қажет болғанда қолданылады. Атмосфералық қысымда жұмыс істейтін ректификациялық колонналарда аппаратты жиі тазалау қажет етілмеген кезде, әдетте Рашигтің керамикалық сақиналары қолданады.