ПӘннің ОҚУ-Әдістемелік кешені 050730 «Құрылыс материалдары бұйымдары және құрылымдарының өндірісі» мамандығы үшін процестер мен аппараттар-2

Дәріс жоспары.

1. Жалпы түсінік. Адсорбенттердің түрлері.

2. Адсорбциядағы тепе-тендік.

3. Адсорберлердің түрлері.
Газ қоспаларынан газды (буды) немесе ертіндіден еріген затты кеуекті қатты заттармен (адсорбентпен) сіңіру процесі адсорбция деп аталады. Сіңірілетің зат адсорбат деп аталады. Адсорбция процесі сұрыптаушылығы және қайтымдылығымен ерекшеленеді. Әрбір сіңіргіш қатты зат белгілі бір заттарды сіңіріп, ал қалғандарын сіңірмейтің (немесе өте аз мөлшерде сіңіреді) қасиетке ие болуы оның сұрыптаушылығын анықтайды. Сіңірілген зат барлық уақытта десорбция процесі арқылы сіңіргіштен ажыратылып алыну қасиеті оның қайтымдылығын анықтайды.

Адсорбция процесі өндірісте газдарды құрғатуда және тазалауда, ерітінділерді тазалауда және мөлдірлендіруде, булы немесе газды қоспаларды ажыратуда (мысалы, ауадағы ұшқыш еріткіштерді немесе газдарды) және т.б. кеңінен қолданылады.

Адсорбция екі түрлі болады: физикалық және химиялық (хемосорбция).

Физикалық адсорбция адсорбат және адсорбент молекулаларының арасындағы Ван-дер-Ваальс күші әсерінен өзара тартылуы нәтижесінде өтеді де, химиялық әрекеттеспейді.

Химиялық адсорбцияда сіңірілетің зат молекулалары арасында химиялық байланыс болады.

Булар сіңірілгенде адсорбент кеуектері будың конденсатымен (сұйықпен) толтырылады (капилярлық конденсация).

Макрокеуектердің меңшікті беті аз, сондықтан олардың қабырғасына өте аз зат сіңіріледі. Олар сіңірілетің молекулалар үшін тасымалдау канал ролін атқарады.

Өтпелі кеуектердің өлшемдері сіңірілетің молекулалар өлшемдерінен үлкен болады және адсорбция процесінде заттың қабаттары пайда болады. Қабаттың қалындығы бір молекулаға (мономолекулалық алсорбция) бірнеше молекулаға (полимолекулалық адсорбция) тең болуы мүмкін.

Микрокеуектердің өлшемдері сіңірілетің заттың молекуласына жақын болады және адсобцияда олардың көлемі толтырылады. Осының салдарынан микрокеуектердің бетіңде сіңірілген заттың қабаты болады деген болжамның физикалық мәні болмайды.

Адсорбенттер олардың масса немесе көлем бірлігіндегі адсорбаттың концентрациясымен анықталатын, сіңіргіштік қабілетімен (активтігімен) сипатталады.

Сіңіргіштік қабілеті температураға, қысымға және сіңірілетін заттын концентрациясына байланысты болады.

Адсорбенттер статикалық және динамикалық сіңіргіштігпен сипатталады.

Біраз уақыт жұмыс істегеннен кейін адсорбент сіңірілетін затты толығымен сіңіре алмайды. Сондықтан адсорбент қабатынан сіңірілетін заттың өтуі байқала бастайды. Осы сәттен бастап сіңірілетің заттың аппараттан шығатын газды қоспадағы концентрациясы тепе-тендік орныққанға дейін көбейеді.

Адсорбция басталғаннан сіңірілетін заттын өтуіне дейінгі уақыт аралығында адсорбенттің масса (немесе көлем) бірлігімен сіңірілген заттың мөлшері, оның динамикалық сіңіргіштігін анықтайды.

Адсорбция басталғаннан тепе-тендік орныққанға дейнгі уақыт аралығығында адсорбенттің масса (немесе көлем) бірлігімен сіңірілген заттың мөлшері, оның статикалық сіңіргіштігін анықтайды.

Динамикалық сіңіргірштік барлық уақыт статикалық сіңіргіштен аз болады, сондықтан адсорбент мөлшері динамикалық сіңіргіштігі бойынша анықталады.

Өндірісте кеңінен қолданылатын адсорбенттер:

Адсорбция процестерің өткізуге арналған адсорберлердің төмендегі түрлері болады:

1) адсорбент қабаты қозғалмайтын;

2) адсорбент қабаты қозғалмалы (жылжымалы);

3) адсорбент қабаты жалған сұйылған.

Адсорбент қабаты қозғалмайтын адсорберлердің құрылымы қарапайым болып, мерзімді әрекетте жұмыс істейді.

Мұндай аппараттар мерзімді әрекетте жұмыс істейді және процес төрт сатыдан құралады:

1. 
   Адсорбция;
   
2. 
   Десорбция (адсорбентті су буымен регенерациялау);
   
3. 
   Адсорбентті құрғату (ыстық ауамен);
   
4. 
   Адсорбентті суыту (суық ауамен).
   

Өзін-өзі тексеру сұрақтары

1. Адсорбция процесі дегеніміз не? 2. Адсорбция процесінің қозғаушы күші не? 3 Адсорбциялау аппараттарының жіктелуін түсіндір. Адсорбциялық аппаратының конструкциясы қандай?
Ұсынылатын әдебиет: 4.1.1. 233-269 бет

4.1.1. Ә. Ақбердиев, М.М. Молдабеков Химиялық технологияның негізгі процестері және аппараттары. 1 бөлім. Алматы. 1993 ж., 302 бет

Дәріс жоспары.

1. Жалпы түсінік. Сұйық-бу жүйедегі тепе-тендік.

2. Айдау. Ректификация.

3. Ректификациялық аппараттардың түрлері.
Екі немесе одан көп құрастырушылардан құралған біртекті сұйық қоспаларды ажыратуда жиі қолданылатын тәсілдердің бірі айдау (дистилляция және ректификация) процесі болып табылады. Егер бастапқы қоспа қайнау температуралары әртүрлі екі құрастырушылардан құралса (яғни бинарлы қоспалар) онда буланған кезде төмен температурада қайнайтын құрастырушы (қысқаша ТҚ) буға айналады, ал жоғары температурада қайнайтын құрастырушы (қысқаша ЖҚ) сұйық күйінде қалады. Пайда болған буды конденсациялағанда, дистиллят деп аталатын сұйықты алады. Буланбай қалған сұйық бөлігін қалдық деп атайды. Сонымен, айдау нәтижестнде ТҚ дистиллятқа, ал ЖҚ - қалдыққа өтеді. Бұл процесті жай айдау деп атайды. Жай айдауда - қоспа кұрастырушыларын толық ажыратып, оларды таза күйінде алу мүмкін емес. Құрастырушынын екеуі де ұшқыш, яғни екеуі де әртүрлі дәрежеде буға айналады. Сондықтан пайда болған бу таза ТҚ-дан құралмайды. ТҚ-нын ұшқыштық дәрежесінің жоғарылығынан ЖҚ-ға қараған көп дәрежеде буланады, яғни пайда болған будағы онын мөлшері бастапқы қоспадағы мөлшеріне қарағанда көп болады. Сонымен, бастапқы қоспадағы мөлшеріне қарағанда дистилляттағы ТҚ-ның, ап қалқықтағы ЖҚ-нын мөлшері көп болады. Жоғарыда келтірілген құбылыстын өзі жай айдау процесінін буландырудан негізгі айырмашылығын көрсетеді. Буландырудағы ертіндінің бір құрастырушысы /еріген зат/ ұшқыш еместе, тек ұшқыш құрастырушы /еріткіш/ ғана буға айналады.

Сұйық қоспаны құрастырушыларға толық ажырату үшін айдаудың күрделілеу тәсілі- ректификация колданылады. Ректификация процесі қоспаны буландырғанда пайда болған будың, оны конденсациялағанда пайда болған сұйықпен көп рет жанасу нәтижесіндегі массаның алмасуына негізделген. Бұл процес колонналы аппараттарда өткізіледі. Сұйық фазадан ТҚ буға өтеді, ал бу фазадан ЖҚ суйыққа өтеді. Сонымен, колоннадағы жоғары көтерілетін бу ТҚ-мен, а төмен қарай ағатын сұйық ЖҚ-мен байытылады. Колоннаның жоғары жағынан шығатын бу негізінен ТҚ-дан құралған болады. Бул бу бөлек аппаратта конденсациялаңып екі бөлікке бөлінеді. Бір бөлігі дистиллят немесе ректификат деп аталады. Екінші бөлігі флегма деп аталады ол аппаратқа қайтадан беріледі. Флегма (аппаратқа қайтадан берілетің сұйық) негізінен ТҚ-дан құралған болады да, колоннадан жоғары көтерілетін бумен жанасады. Колоннанын төменгі жағындағы, негізінен ЖҚ-дан құралған сұйық кубтық қалдық деп аталады.

Қазіргі кезде химиялық технологияның көптеген салаларында ректификация тәсілі кенінен қолданылуда: спирт, мұнай және синтетикалық каучук, вино, эфирлі майлар өндірістерінде.

Біртекті сұйық қоспаларды құрастырушыларға толық ажырату ректификация тәсілімен атқарылады. Ректификация процесінің мәні t-x,у диаграммасы жәрдемімен түсіндіруге болады.

Концентрациясы x₁бастапқы қоспа қайнау температурасы t₁-ге дейін ысытылғанда, сұйықпен тепе-теңдікте болатын бу (в-нүкте) алынады. Бу конденсацияланғанда концентрациясы t ₂-ге тен 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 (дистилят) алуға болады.

Ректификация процесін қарампайым көп сатылы қондырғыда өткізуге болады: 1-сатыда бастапқы қоспа буланады; 2-сатыға 1-сатыда қалған сұйық беріліп буланады; 3-сатыға 2-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, вакуумда және атмосфералық қысымнан жоғары) өткізіледі.

Жоғары температурада қайнайтын қоспаларды вакуумда, ал қалыпты температурада газ күйінде болатын қоспаларды жоғары қысымда ажыратады.

Дефлегматордан шыққан сұйық екіге бөлінеді: бір бөлігі флегма деп аталып колоннаға қайта беріледі, ал екінші бөлігі дистиллят суытқыш арқылы жінағышқа беріледі. Флегма төмен қарай ағып сифон арқылы кубқа беріледі. Сонымен, ректификация нәтижесінде қоспа құрастырушыларға толық ажыратылады: ТҚ дистиллят (өнім) түрінде жинағышқа жиналады, ЖҚ кубтың қалдық түрінде кубта қалады.

Кубтық қалдықтың қажетті 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 (бастапқы аз, ал соңында ең көп) өткізеді. Егер флегма саны тұрақты болса, онда өнімнің концентрациясы біртіндеп азаяды. Мұның бәрі мерзімді процесті басқарудың және есептеудің қиындығына әкеліп соғады.

Үздіксіз әрекетті қондырғы. Бастапқы қоспа әдетте ысытқышта қайнау температурасына дейін ысытылып, колоннаның қоректенуші табақшасына беріледі. Қоректенуші табақша колоннаны екі бөлікке бөледі:

1) жоғарғы бөлігі - қоректенуші табақшадан жоғарғы табақшаға дейін. Бұл бөлікте дефлегматорға баратын будың құрамы ТҚ мен барынша нығайтылуы керек. Сондықтан колоннаның бұл бөлігін нығайтылу немесе жоғарғы бөлігі деп атайды.

2) төменгі бөлігі - қоректенуші табақшадан ең төменгі табақшаға дейін. Бұл бөлікте барынша сұйықтағы ТҚ-ны тауысу керек, сөйтіп оны ЖҚ мен жетілдіру керек, яғни кубқа құрамы жағынан ЖҚ-ға жақын сұйық берілу керек. Сондықтан колоннаның бұл бөлігін тауысу немесе төменгі бөлігі деп атайды.

Колоннада төменнен жоғары қарай қайнатқыш-кубтан (4) шыққан бу көтеріледі. Қайнатқыш-куб колонадан тыс немесе оның төменгі жағында 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 буымен жанасып, ЖҚ мен байытылады. Қайнатқыш-кубтан кубтық қалдық (төменгі өнім) жинағышқа (6) беріледі. Дистиллят суытқыш (5) арқылы жинағышқа (7) беріледі.

Колоннаның төменгі жағынан шығатын қалдық екіге бөлінеді:

Бір бөлігі қайнатқыш-кубқа беріледі де, ал қалған бөлігі суытқышта суытылып жинағышқа (6) беріледі.

Үздіксіз әрекетті ректификациялық қондырғылар өлшегіш-бақылағыш және басқару құралдарымен (приборларымен) жабдықталады. Бұл құралдар жәрдемімен құрылғының жұмыс істеуін автоматты түрде басқару және процесті тиімді режимде өткізу мүмкінді туады.

Нақты ректификация процесінің өтуіне әсерін аз тигізетін, бірақ есептеуді жетілдіретін төменгі шарттарды қабылдаймыз:

1. Колоннаның кез-келген көлденең қимасынан көтерілетін будың мөлшері (киломольде) тұрақты, яғни G_бу=соnst.

2. Колоннадан шығарылып, дефлегматорға берілетін будың құрамы дистилляттың құрамына Х_р-ға тең, яғни У_р= Х_р (мұнда У_р - бу фазадағы ТҚ-ның концентрациясы).

3. Қайнатқыш-кубтан көтерілетін будың құрамы У_w, кубтың төменгі жағына ағып түсетін сұйықтың құрамына Х_w-ға тең, яғни У_w=Х_w.

4. Бастапқы қоспа колоннаға қайнау температурасына дейін ысытып беріледі.

5. Қайнатқыш-кубқа жылу тұйық бумен беріледі.
Төмендегі белгілерді қабылдаймыз:

G_f - ректификациялық колоннаға берілетін бастапқы қоспаның мөлшері, кмоль/с.

G_p - колоннадан алынатын дистиллят мөлшері, кмоль/с.

G_w - колоннадан алынатын кубтық қалдық мөлшері, кмоль/с.

G_ф – колоннаға қайта берілетін флегма мөлшері, кмоль/с.

Х_f, Х_p, Х_w – бастапқы қоспадағы, дистилляттағы және қалдықтағы төменгі температурада қайнайтын құрастырушының (ТҚ) құрамы, мольдік үлес.

Ректификациялық колоннаның материалдық балансының теңдеуі:

А) барлық қоспа мөлшері бойынша:

G_f = G_p+ G_w

Ә) ТҚ-ның мөлшері бойынша:

G_f X_f = G_pX _p+G_w X _w

Бұл екі теңдеуден әдетте G_p және G_w анықталады, ал қалған шамалар берілген болады.

Бастапқы қоспа және кубтық қалдық мөлшерлерінің дистиллят мөлшеріне қатынастарын төмендегідей белгілейміз:

G_f / G_p = F;

G_w /G_p = W

Онда 1 кмоль/с дистиллят алу үшін материалдық баланс төмендегіше жазылады:

Флегма мөлшерінің дистиллят мөлшеріне қатынасы флегма саны деп аталады.

Егер G_p = 1кмоль болса, онда R = G_ф болады, яғни флегма саны 1кмоль дистиллят алу үшін колоннаға қайта берілетің флегманың қажетті мөлшерің көрсетеді.

Жоғарыдағы 1-шарт бойынша колоннадан көтерілетін будын мөлшері тұрақты болады және ол конденсацияланғанда флегма мен дистиллятқа бөлінеді, яғни
G_бу = G_ф + G_р
G_ф= R  G_p онда көтерілетін будың жалпы мөлшері:

G_бу = R  G_p + G_р = G_р  (R+1)

1. Ректификация процесінің мәні мен маңызы ? 2. Ректификация процесінің қозғаушы күші не? 3 Ректификация аппараттарының жіктелуін түсіндір. Ректификациялық аппаратының конструкциясы қандай?

Ұсынылатын әдебиет.

4.1.1. Ә. Ақбердиев, М.М. Молдабеков Химиялық технологияның негізгі процестері және аппараттары. 1 бөлім. Алматы. 1993 ж., 302 бет