Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі

Transcript

1 Әдістемелік ұсыныстар мен нұсқаулар Нысан ҰС Н ПМУ /05 Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі С. Торайғыров атындағы Павлодар мемлекеттік университеті Химия және химиялық технологиялар кафедрасы ӘДІСТЕМЕЛІК ҰСЫНЫСТАР МЕН НҰСҚАУЛАР Зертханалық сабақтарға Химиялық өндірістердің негізгі процестері және аппараттары пәні бойынша 5В «Бейорганикалық заттардың химиялық технологиясы» мамандығының студенттеріне арналған Павлодар

2 Әдістемелік ұсыныстар мен нұсқаулардың бекіту парағы Нысан ҰС Н ПМУ /05 Құрастырушы: аға оқытушы Т.Б. Тугамбаева Химия және химиялық технологиялар кафедрасы БЕКІТЕМІН ОІЖ проректор Пфейфер Н.Э. 20_ж. Әдістемелік ұсыныстар мен нұсқаулар Зертханалық сабақтарға Химиялық өндірістердің негізгі процестері және аппараттары пәні бойынша 5В Бейорганикалық заттардың химиялық технологиясы мамандығының студенттеріне арналған Кафедра мәжілісінде ұсынылды 20_ж.Хаттама Кафедра меңгерушісі Жапаргазинова К.Х. Химиялық технологиялар және жаратылыстану факультетінің оқу-әдістемелік кеңесімен мақұлданды 20_ж. Хаттама ОӘК төрағасы Нургожин Р.Ж. ЖжӘҚБ МАҚҰЛДАНДЫ ЖБ және ӘҚе бөлімінің бастығы Варакута А.А. 20 ж. Университеттің оқу-әдістемелік кеңесімен құпталған 20 ж. хаттама

3 Зертханалық жұмыс 1 Жылуалмастырғыш аппараттарды есептеу және таңдау Жұмыстың мақсаты: Жылуалмастырғыш аппараттарды есептеу әдістемесін үйрену Сабаққа өздігінен дайындалуға арналған сұрақтар 1. Жылу алмасу процестерінің қозғаушы күші қандай? 2. Жылу тасымалдағышқа қандай талаптар қойылады 3. Қаптама құбырлы жылу алмастырғыштың конструкциясының қандай ерекшеліктері бар? Жабдықтаулар және реактивтер: Жылу аламастырғыш аппараттардың сыртқы пішінін көрсететін суреттер Жалпы теориялық мәліметтер. Қаптама құбырлы жылу алмастырғыш аппараттар жылуалмастырғыштар, тоңазытқыштар, конденсаторлар және буландырғыштар ретінде қолданылуы мүмкін. Жылуалмастырғыштар жылыту және салқындату үшін, ал тоңазытқыштар сұйық және газ күйіндегі орталарды салқындату үшін (сумен немесе басқа уытты емес, өрт- және жарылысқауіпті емес тоңазытқыш агентпен) қолданылады. МСТ және МСТ бойынша қаптама құбырлы жылуалмастырғыштар мен тоңазытқыштар екі типті: Н құбырлы торы қозғалыссыз болатын және К қаптамасы мен құбырларының температуралық ұзаруы бірдей емес болатын линзалы конденсаторы бар болады. Н типті аппараттар үшін қаптама мен құбырлардың небары үлкен рұқсат етілген температураларының айырмасы, қаптама мен құбырлардың материалына, қаптамадағы қысымға және аппарат диаметріне байланысты градус болуы мүмкін. Жылуалмастырғыштар мен тоңазытқыштар горизонталды немесе вертикалды орнатылуы мүмкін және құбыр кеңістігі бойынша бір-, екі-, төртжәне алтыжолды болуы мүмкін. Конструкциясының құбырлары, қаптамасы және басқа да элементтері көміртекті немесе тот баспайтын болаттан, ал тоңазытқыштардың құбырлары жезден жасалуы мүмкін. Жылуалмастырғыштар түрлері. Абсорбция, ректификация және т.б. масса және жылу алмасу процестерін жүзеге асыратын химиялық өнеркәсіпте қолданылатын жылуалмастыру аппараттары қолданылуы, жылу беру тәсілдері, жылу тасымалдағыштардың жылжу тәртіптері және т.б. сипаттамалары бойынша жіктеледі. 1) Қолданылуы бойынша: - жылытқыштар; - тоңазытқыштар; - конденсаторлар; - буландырғыштар;

4 - дестиляторлар. 2) Жылуды беру тәсілі бойынша: - беттік жылу алмастырғыштар жылумен алмасатын орталар арасында жылу қабырға арқылы беріледі (қапатма құбырлы, құбыр ішіндегі құбыр); - араластыру жылу алмастырғыштары жылу бір ортадан екінші ортаға олар тура жанасқанда беріледі; - батырылатын жылу алмастырғыштар диаметрі мм болатын жыланшалар сұйықтың көп мөлшеріне батырылған. 3) Жылу тасымалдағыштардың жылжу схемасы бойынша: - тура ағын, екі жылу алмастырғыш параллель бір бағытта жұмыс істейді; - қарсы ағын, екі жылу алмастырғыш параллель қарсы бағытта жұмыс істейді; - айқасқан ағын, жылу тасымалдағыштар перпендикулярлы жылжиды; - аралас ағын; қарсы және тура ағын бірге қолданылады. 4) Жылу тасымалдағыштардың жолдары бойынша біржолды және көпжолды болады. Жылу алмастырғышта бір жылу тасымалдағыш құбырға, екіншісі құбыр аралық кеңістікке беріледі. 5) Жұмыс істеу принципі бойынша: - үздіксіз; - мерзімді. 6) Жылу алмасу бетінің түрі бойынша: - құбырлы (тура, U-тәрізді, спираль, жыланша); - пластиналы [10]. Төменде химиялық өнеркәсіпте маңызды жылуалмастырғыш аппараттарының кейбір өкілдері келтірілген: 1) Қаптама құбырлы жылуалмастырғыш. Жылу алмастырғыш қаптамадан, құбырлардан, құбыр торларынан тұрады. Құбырлар торларына құбырлар шоғы орнатылған (пісірілген). Құбыр торларына қақпақтар бекітіледі. Бұл біржолды жылу алмастырғыш. Қаптама құбырлы жылу алмастырғышта жылумен алмасатын орталардың бірінші құбырлар ішінде жылжиды, ал екінші құбырлық кеңістікте жылжиды және орталар қарамақарсы бағытта жылжуы керек. Жылытылатын орта жоғары қарай, ал жылу беретін орта төмен бағытта жылжиды. Сұйық шығындары төмен болғанда жылу алмастырғыштар жылдамдығы төмендейді, сондықтан жылу беру коэфициенті төмендейді. Бұл көрсеткіштерді жоғарлату үшін құбырлар диаметрі кішірейту қажет және құбырлар ұзындықтарын ұлғайту қажет. Бірақ мұндай жылу алмастырғыштарды монтаждау қиын. Бөлмелері биік болуы тиіс және металдар көп қажет, сондықтан көпжолды жылу алмастырғыштар корпус құбырлар, тор, қақпақ, біржолды жылу алмастырғыштардағыдай [3]. Артықшылығы: қақпақтарда көлденең арабөлгіштер бар. Олар құбырларды секцияларға бөледі. Бұл секцияларда құбырлық кеңістіктегі зат

5 жылжиды. Көпжолды жылу алмастырғышта құбырлық кеңістіктегі жылу тасымалдағыштың жылдамдығы жолдар санына байланысты артады. Құбыр аралық кеңістіктегі ортаның жылдамдығымен жылжу жолын ұзарту үшін сигментті арабөлгіштер орнатылады. Бір және көпжолды жылу алмастырғыштар вертикалды және горизонталды болады. Вертикалды жылу алмастырғыштарды эксплуатациялау қарапайым және аз өндірістік ауданды алады. Горизонталды жылу алмастырғыштар әдетте көпжолды және жоғары жылдамдықпен істейді. Қаптама және құбырлар арасындағы температуралар айырмасы үлкен болғанда, құбырлар ұзын болғанда және құбырлар мен қаптамалар материалдары әртүрлі болғанда температуралық деформациялар болуы мүмкін. Оны болдырмау үшін линзалар компенсаторлары бар. Қаптама құбырлы жылу алмастырғыштар қолданылады. Қысым 6 атмосферадан артық болғанда қолданылады. Егер құбырлар мен қаптаманың бір-біріне қатынасты көп орын ауыстыруы бақыланса, онда қозғалтқыш басы бар жылу алмастырғыш қолданылады. Төменгі құбырлар торы қозғалтқыш болады. Сондықтан құбырлар шоғы аппарат корпусына тәуелсіз қозғалады. U тәрізді құбырлары бар қаптама құбырлы аппарат конструкциясы қарапайым және жеңіл. Себебі құбырлар торы біреу. Тазалау жеңіл. Жылу алмасу интенсивті жүреді. Кемшіліктері: Құбырлардың ішін тазалау қиын. Тордан көп құбырлар орналастыру мүмкіншілігі жоқ [10]. 2) Құбыр ішіндегі құбыр жылу алмастырғыштар. Бір-біріне жалғанған құбыр элементтерден тұрады. Бір жылу тасымалдағыш ішкі құбырмен екінші құбырмен жылжиды немесе ішкі және сыртқы құбырлар арасындағы кеңістікпен жылжиды. Ішкі құбырлар диаметрі мм қалаштармен жалғанады. Сыртқы құбырлар диаметрі мм құбыршалармен жалғанады. Құбырлық және құбыр аралық кеңістіктер диаметрлері кішкентай болғандықтан, бұл жылу алмастырғыштарда жылдамдық жоғары (1-1,5 м/с). Артықшылықтары: жылу беру коэффиценті жоғары; аппараттың массасына бірлігіне түсетін жылу жүктемелері жоғары; ластанулар аз болғандықтан, жылу тасымалдағыштар жылдамдықтары жоғары. Кемшіліктері: үлкен; көп металдар қажет етеді. 3) Батырылған жылу алмастырғыштар. Батырылған жыланшалы жылу алмастырғыш тамшылы сұйық газ немесе бу диаметрі мм болғандықтан, иректелген жыланшаның ішінде жылжиды. Ол аппарат корпусы сұйыққа батырылған. Жыланша орналасқан корпус көлемі үлкен болғандықтан, корпус ішіндегі сұйық жылдамдығы төмен. Сондықтан жыланша сыртындағы жылу беру коэффициенті төмен. Оны жоғарлату үшін корпус ішіне стакан орнатылады. Жыланша арнайы конструкциямен бекітіледі. 4) Суланатын (оросительный) жылу алмастырғыш. Бір-бірінің үстінде орналасқан құбырлар қалаштар арқылы жалғанады. Құбырлар параллель вертикалды секциялардан тұрады. Салқындатқыш су жалпы коллектордан беріледі. Жыланшалар үстінен сумен суланады. Су тамшылар немесе

6 ағыстар ретінде бірқалыпты ағуы үшін шеттері ирек болатын, арнайы астау көмегімен беріледі. Жыланшалар астында қолданылған суды жинап алуға арналған астаушалар орналасқан. Бұл жылу алмастырғыштар конденсатор және тоңазытқыштар ретінде қолданылады [10]. Артылықшылықтары: су шығыны төмен; конструкциясы қарапайым; құбырлардың сыртқы бетін тазалау жеңіл. Кемшіліктері: үлкен; құбырлардың сыртқы бетінің сулануы бірқалыпты емес; құбырлардың төменгі бөлімдері сумен аз суланады. Сондықтан жылу алмасу процесіне аз қатысады; коррозияға ұшырайды және су тамшылары жан-жаққа шашырайды. 5) Пластиналы жылу алмастырғыш. Гафрирленген параллель пластинадан тұрады. Олар қабырғалары иректелген жіңішке каналдар (3-6 мм) түзеді. Жылу тасымалдағыш сұйықтар көршілес пластиналар арасында жылжиды да, әрбір пластинаның қарсы қабырғасына жылуды береді немесе қабылдайды. Сұйық штуцер арқылы беріледі. Тақ каналдармен жылжиды және штуцер арқылы шығарылады. Сұйық штуцер арқылы беріледі. Жұп каналдармен жылжиды және штуцер арқылы шығарылады. Пластиналы жылу алмастырғыштарға пластиналардың бетіне қосымша ойлы-қырлы элементтер қосып жылу алмасу беттерін ұлғайтады. Спиральды жылу алмастырғыш. Екі металдық бет спираль ретінде оралған беттердің ішкі ұштары бітеу арабөлгішке дәнекерленген. Сыртқы ұштары бір-біріне дәнекерленген. Бүйірлері жағынан спиральдар тығыздағышқа орнатылған, жайпақ қақпақтармен жабылған. Сонда аппараттың ішінде бір-бірімен қатынаспайтын екі спиральды канал (2-8 мм) пайда болады. Оларда қарсы ағынмен жылу тасымалдағыштар жылжиды. Жылу тасымалдағыш төменгі штуцерден беріледі. Бүйірдегі штуцерден шығарылады. Ал екі жылу тасымалдағыш сол жақтағы штуцерден келеді де, жоғары штуцерден шығарылады. Артылықшылықтары: компактты; жоғары жылдамдық (1 м/с). Кемшіліктері: дайындау қиын; қысым шектеулі [10]. Жұмыс барысы. Аммиак тоңазытқышын есептеу. Жылуалмастырғыш аппаратының техникалық қызметіне тәуелді Т Q координаталарда диаграмма салынады. Ол диаграмма арқылы жылу жүктемесінің теңдеулерін шығара аламыз және орташа температуралық напордың мәнін анықтай аламыз. Диаграммада жылутасымалдағыштардың қозғалу бағыты есепке алынады; қозғалыс қарсы ағын көмегімен жүзеге асырылатындықтан, диаграммадағы тілдердің бағыттары түрліше болады. Аппарат үшін жылу жүктемесінің теңдеуін құру, егер аммиак Т 1 = С кіреді, ал Т 2 = 30 0 С шығады. Бұнда аммиак шыққанда да, кіргенде де газ күйінде болатынын ескерту керек. Суық ағын су.

7 140 0 t t Q ыстық ағыннан суық ағынға берілетін жылу мөлшеру Сурет 8 Жылуалмастырғыш аппаратының техникалық қызметіне тәуелді диаграмма Q Орташа температуралық арынды Δt max \Δt min қатынасына тәуелділігімен анықтайды Δt min = = 20 0 С Δt max = = С Δt max \Δt min = 117 / 20 = 5,85 0 С Δt max \Δt min > 2 болғандықтан, онда логарифмдік температуралық арынның мәні келесі теңдеу арқылы анықталады t opт t max t t 2,3 lg t min max min (1) t opт ,3 lg 20 55,5 0 С Келтіріліген жылу жүктемесінің теңдеуі бойынша газ ағынының тоңазытқышқа тиетін жылу жүктемесін және суытатын су шығынын есептейміз Q = V c (г) (T 1 T 2 ) (2) мұндағы Q жылу жүктемесі, Вт; V аппараттың өнімділігі, кг\с; c (г) газдың жылу сыйымдылығы, Дж\(кг К); Т 1 ағынның бастапқы температурасы, 0 С; Т 2 ағынның соңғы температурасы, 0 С

8 Газ үшін молярлық жылу сыйымдылығы С М = 35,0 КДж\моль К [8, 53 бет]. Енді меншікті жылу сыйымдылық мәнін есептейміз С р С 1000 М (3) М 35, ,2 17,03 С р Дж\кг К Шыққан мәндерді (2) теңдеуіне қоямыз Q = 9, ,2 (140 30) = ,44 Вт Тоңазытқыштың жылу жүктемесін біле отырып, судың массалық шығынын есептейміз Q = gc (с) (T 1 T 2 ) (4) мұндағы c (с) сұйықтыңың (судың) жылу сыйымдылығы, Дж\(кг К) (4) теңдеуінен g мәнін шығарамыз g c Q с ( Т 1 Т 2 ) ,44 39, (23 10) g кг\с Жылуалмасу сипатына қарай жылу беру коэффициенттің шамаландырылған мәндері таңдалады [5, 147 бет, кесте 6.2]. Газдан сұйыққа Вт\(м 2 К) тең болатын коэффициент қабылдаймыз. Жылуалмасу теңдеуі бойынша Q FKt орт (5) Осыдан жылуалмасу бетінің шамаландырылған мәндерін шығарамыз Q F K t орт ,44 F 650, ,5 м 2 Жылуалмастыру аппаратын және оның негізгі өлшемдерін таңдаймыз [5, 159 бет, кесте 6.7].

9 Кесте 3 ТН типті аппарат ішіндегі жылуалмасу бетінің ауданы D, мм d H, мм z F, м 2 l, мм мұндағы D қаптаманың ішкі диаметрі, мм; d H, - жылуалмастырғыш құбырларының сыртқы диаметрі, мм; z жылутасымалдағыштардың жолдар саны; F жылуалмасу бетінің ауданы, м 2 ; l жылу беретін құбырларының ұзындығы, мм Қыздыру бетіне және аппараттың габариттеріне сәйкес құбыр және құбыраралық кеңістігінің көлденең қимасының ауданын таңдаймыз [5, 161 бет, кесте 6.10]. Кесте 4 Құбырдың және құбыраралық кеңістігінің көлденең қимасының ауданы D d H z Құбыр бойымен бір жолдың өту қимасының ауданы f mp 10-2, м 2 Өту құбырларының ауданы Қалқа Қалқалар қимасындағы арсындағы f п 10-2, м 2 f мтр 10-2, м ,8 12,5 13,5 Құбыр кеңістігіндегі жылутасымалдағыштардың көлемдік шығынын анықтаймыз V G V мұндағы G ағынның массалық шығыны, кг\с; ρ құбыр кеңістігіндегі ағынның тығыздығы, кг\м 3 ρ аммиак = 0,77 кг\м 3 ρ ауа = 1,29 кг\м 3 9,57 7,6 1,25 V м 3 \с Абсорбцияға берілетін газтасымалдағышта шикізат ағынындағы аммиактың концентрациясы 0,06 массалық үлес болғандықтан, шикізаттың тығыздығын келесі өрнек арқылы таба аламыз Г NH a NH aya a 3 3 aya (6) 0,77 0,06 1,29 (1 0,06) 0,046 1,21 1,25 кг\м 3 Шикізат ағынындағы абсорбция процесіне келетін газ тасымалдағыштағы амиактың концентрациясы 0,06 (массалық үлесі) болғандықтан өнімнің тығыздығын ауа тығыздығына тең болатын мәнді қабылдаймыз (1,29 кг\м 3 ). Құбыраралық кеңістікте

10 V \ а g \ а \ а g С (7) кг\м 3 мұндағы G \а жылуалмастырғыштың құбыраралық кеңістігіндегі ағынның массалық шығыны; ρ \а құбыраралық кеңістігіндегі ағынның тығыздығы, 39,75 V \ а 0,039 м 3 \с 1000 Жылуалмастырғыш аппараттағы құбыраралық кеңістігінің ағын жылдамдығы келесі теңдеумен өрнектеледі V (8) f 7,6 32, ,8 10 м\с Құбыраралық кеңістікте 0,039 \ а 0,28 2 м\с 13,5 10 Сонан соң Рейнольдс критерийін анықтаймыз d Re (9) Па с мұндағы d сыртқы диаметр, м; μ ағын үшін динамикалық тұтқырлықтың коэффициенті, Сурет 9 Құбырлар диаметрлері d ішкі = d сырт - 2 δ қаб (10)

11 мұндағы d сырт, d ішкі жылутасымалдағыш құбырдың ішкі және сыртқы диаметрі, мм; δ қаб жылутасымалдағыш құбыр қабырғаларының қалыңдығы, мм (2 мм деп қабылдаймыз) d ішкі = = 16 мм Шыққан мәндерді (9) теңдеуіне қойсақ құбыр ішіндегі және құбыраралық кеңістігіндегі ағын үшін Рейнольдс критерийін есептей аламыз 3 32, ,25 Re 85272,33 6 9,18 10 Құбырларды екінші жылутасымалдағыш жуады. Рейнольдс критерийін есептеу үшін құбыраралық кеңістік диаметрін 20 мм деп қабылдаймыз 0, Re а \ Құбыр ішіндегі кеңістіктегі жылу беру коэффициентін Нуссельт критреийінің теңдеуі арқылы анықталады (Re = 85272,33 > 10000) Ал > Re \а = 4600 > 2320 мұндағы Pr Прандтль критерийі 4600 Nu = 0,023 Re 0,8 Pr 0,4 (11) Nu \а = 0,008 Re 0,9 Pr 0,43 (12) Құбыр ішіндегі кеңістіктегі Прандтль критерийі c Құбыраралық кеңістіктегі Прандтль критерийі Г Г Pr (13) Г c C C Pr \ a (14) C мұндағы μ ағынның кинематикалық тұтқырлық коэффициенті с ағынның жылусыйымдылығы, Дж\(кг К); λ ағынның жылуөткізгіштік коэффициенті, Вт\\(кг К) [3, 530 бет, кесте 30] λ Г = 0,256 Вт\(м К), λ С = 0,0675 Вт\(м К) Онда құбыр ішіндегі кеңістіктегі Прандтль критерийі тең болады Pr 6 9, ,29 0,0256 0,73

12 Құбыраралық кеңістіктегі Pr ,675 / а Шыққан мәндерді қолданып (11), (12) теңдеуді есептейміз Nu = 0, ,33 0,8 0,73 0,4 = 178,5 Nu \а = 0, ,9 6,2 0,43 = 34,67 Жылу беру коэффициентін анықтаймыз 6,2 К (15) мұндағы, α 1 құбыр кеңістігіне берілетін ағын үшін жылу беру коэффициенті, Вт\(м 2 К) α 2 құбыраралық кеңістігіне берілетін ағын үшін жылу беру коэффициенті, Вт\(м 2 К) δ 1 жылу беру құбырлар қабырғаларының қалыңдығы (көбінесе 2мм); δ 2 жылу беру құбырлар қабырғаларындағы қаспақ қалыңдығы (көбінесе 0,5 мм); λ 1 аппарат жасалған материалдың жылуөткізгіштік коэффициенті, тот баспайтын болат үшін 17,5 Вт\ (м К) қабылдаймыз; λ 2 қаспақтың жылуөткізгіштігі, 1,6 3 аралығында қабылданады, көбінесе 2 Вт\(м К) Nu l Nu Г d 1 (16) 2 \ а Nu l \ а \ а \ а Nu d 2 \ а С (17) мұндағы, l геомериялық өлшемді анықтаушы,м 178,5 0, ,64 3 Вт\(м 2 К) 1610

13 34,67 0, Вт\(м 2 К) 2010 К коэффициентін есептейміз. Ол үшін барлық шыққан мәндерді (15) теңдеуіне қоямыз К 1 285,64 1 0,002 17,5 0, ,76 Вт\(м 2 К) Берілген коэффициент мәні бойынша жылуалмасу бетінің нақты мәнін анықтаймыз (5) ,44 F 183,4 м 2 212,76 55,5 Өндірісте жылутасымалдағышты беру жылдамдығы жоғарылуы немесе жұмыс барысындағы түрлі өзгерістер болуы мүмкін. Сондықтан беріктігін 20%-ке артық қолданады, яғни F = 1,2 F (18) F = 1,2 183,4 = 220 м 2 Жылуалмасу бетінің нақты мәніне сәйкес жылуалмасу аппаратының түрін және аппараттың негізгі өлшемдерін таңдаймыз [5, кесте 6.7]. Кесте 5 ТН типті жылу алмасу бетінің ауданы D, мм d H, мм z F, м 2 l, мм Ағынның кірер және шығар жеріндегі штуцерлердің диаметрлерін анықтаймыз D ш1 газдың кірер жері үшін штуцердің шартты жолы, мм; D ш2 газдың шығар жері үшін штуцердің шартты жолы, мм; D ш3 судың кірер жері үшін штуцердің шартты жолы, мм; D ш4 судың шығар жері үшін штуцердің шартты жолы, мм; ω 1 жылуалмастыру аппаратына газды жіберу жылдамдығы, м\с; ω 2 газдың шығу жылдамдығы, м\с; ω 3 судың жіберу жылдамдығы, м\с; ω 4 судың шығу жылдамдығы, м\с Сұйықті жіберу жылдамдығы 1,5-3 м\с, буды жіберу жылдамдығы м\с аралығында, конденсаттың шығу жылдамдығы 0,5 5 м\с қабылдаймыз. Штуцердің шартты жолы (D ш ) 4V D ш (19) 47,6 D ш 1 D ш 2 0,4 м 3,1430

14 Стандартты қатар бойынша 400 мм деп қабылдаймыз [4]. 40,039 D ш3 0,18 м 3,141,5 Стандартты қатар бойынша 200 мм деп қабылдаймыз [4]. 40,039 D ш4 0,3 м 3,14 0,5 Стандартты қатар бойынша 300 мм деп қабылдаймыз [4]. Аппарат массасы тең болады M ап = m қ + nm түт + m кор + m түбі (20) мұндағы m ж қақпақтың массасы, кг; nm түт түтіктің массасы, кг; m кор корпус массасы, кг; m түбі түбінің массасы, кг; n түтіктердің саны Аппараттың қақпағын және түбін таңдаймыз D К = корпустың диаметрі, 1000 мм; V = қақпақтың (түбінің) көлемі, м 3 ; h В = қақпақтың (түбінің) биіктігі, 250 мм; h = борт биіктігі, 40 мм; F = қақпақтың (түбінің) беті, 1,45 м 2 ; S = корпус қалыңдығы, 10 мм; m ж = m түбі = 97 кг Қақпақтың және түбінің массаслары бір-бірімен тең болады, яғни m түбі = m қ = 97 кг [4], корпустың массасы m кор = 5450 кг [1, 56 бет, кесте 2.8] және аппараттағы түтіктердің жалпы саны n = 1173 дана [1, 51 бет, кесте 2.3]. Құбырдың массасын анықтаймыз т l 2 болат (21) 4 мұндағы δ жылутасымалдағыш құбырлар қабырғаларының қалыңдығы, м; d жылутасымалдағыш құбырлардың сыртқы диаметрі, м т 3,14 0, ,073 Енді аппараттың массасын (48) теңдеу арқылы есептейміз M ап = , = 5729,69 кг Қақпақтың (түбінің) биіктігі Н ж = Н түбі = һ + һ в (22) кг

15 мұндағы һ борттың биіктігі [4], м; һ в эллипт тәрізді астының биіктігі [4], м; Аппараттың жалпы биіктігі Н ж = Н түбі = 0,04 + 0,25 = 0,29 м Н = l + Н ж + Н түбі (23) Н = 3 + 0,29 + 0,29 = 3,58 м Сөйтіп, тірекке тиетін жалпы жүктемесін табамыз Мүмкін жүктеме G 10-4, H Gж ж 9,81М ап 4 10 G (24) 9,815729, Енді құрастырылатын аппарат үшін тіректерін таңдаймыз [4]: Тәжірибе нәтижелерін өңдеу Кесте 6 Берілген жүктеме үшін тіректердің шартты белгілері Тіректің ауданы F 10-4, м 2 мн\м 2 Меншікті жүктеме q, Тіректердің геометриялық өлшемдері, мм L B B 1 B 2 H h s l d 5 Н Аяқтар (лапа) массасы, кг 5, , ,8 Абсорбция процесінің материалдық және жылу балансын, оған қоса жылуалмастырғыш аппаратының есептеулері нәтижесінде анықтама мәліметтеріне және мемлекеттік стандартына [1, 51 бет, кесте 2.3] сүйеніп, біз қаптама құбырлы, түтікті торлары берік орнатылған, төрт ара бөлгіші бар [1, 56 бет, кесте 2.7] біржолды көлденең жылуалмастырғыш аппаратын таңдадық. Құбыр кеңістігіндегі суытатын компонент оң жақтан сол жаққа қарай, ал құбыраралық кеңістігіндегі суытқыш компонент үстінен астына қарай жылжиды. Яғни компоненттер бір-бірімен айқас бағытта қозғалады [6]. Төрт арабөлгіштердің бар болу салдарынан құбыр кеңістігіндегі суытатын компоненттің жүру жолын арттырады, яғни суыту процесінің тиімділігі жоғарылайды. Алынған білімдерді бақылау

16 1. Жылуалмастырғыш аппараттар қалай жіктеледі? 2. Химиялық технологияда қолданылатын жылуалмастырғыш аппараттарға қандай талаптар қойылады? 3. Жылу алмастырғыштарды есептеу алгоритмін келтір 4. Жылуалмастырғыштарды таңдауда қандай мәліметтерге сүйену қажет? Зертханалық жұмыс 2 Көпкорпусты суалту аппараттарын есептеу және таңдау Жұмыстың мақсаты: Көпкорпусты суалту аппараттарын есептеу әдістемесін және таңдауды үйрену Сабаққа өздігінен дайындалуға арналған сұрақтар 1. Суалту процесінің міндеті қандай? 2. Суалту процестерінің қолданылу аймақтары қандай? 3. Суалту процестері қалай жіктеледі? Жабдықтаулар және реактивтер: Суалту аппараттарының сыртқы пішінін көрсететін суреттер, суалту қондырғысының технологиялық схемасы Жалпы теориялық мәліметтер. Көпкорпусты суалту процестерінің ішінде небары кең тараған қондырғы үшкорпусты қондырғы болып табылады. Сондықтан осы қондырғының технологиялық схемасын қарастырамыз. (Сурет 1).

17 Сурет 1 - Үшкорпусты суалту қондырғысының принципиалды схемасы: 1 бастапқы ерітінді ыдысы; 2,10 ссорғылар; 3 жылуалмастырғыш-жылытқыш; 4-6 суалту аппараттары; 7 барометрлік конденсатор; 8 вакуум-сморғы; 9 гидрожабқыш; 11 суалтылған ерітінді ыдысы; 12 - конденсатжинағыш Бастапқы сұйылтылған ерітінді аралық ыдыстан 1 ортадан тепкіш сорғымен 2 жылуалмастырғышқа 3 беріледі. Бұнда қайнау температурасына жақын температураға дейін жылытылады. Әрі қарай ерітінді суалту қондырғысының бірінші корпусына 4 беріледі. Ерітіндіні алдын алу жылыту суалту аппаратында 4 ерітіндінің қайнау интенсивтілігінің артуына әкеледі. Бірінші корпус таза су буымен жылытылады. Бірініш корпустағы ерітіндінің концентрленуі кезінде түзілетін екіншілік бу екінші корпусқа 5 жылытқыш бу ретінде бағытталады. Осында бірінші корпуста жартылай концентрленген ерітінді де келеді. Үшінші корпус 6 еккінші корпустағы ерітіндінің концентрленуі кезінде түзілетін екіншілік бумен жылытылады және бұнда екінші корпустан келетін ерітіндінің концентрленуі орындалады. Ерітіндінің және екіншілік будың бір корпустан келесі корпусқа өздігінен өтуі соңғы корпустың екіншілік буын барометрлік конденсаторда конденсациялау кезінде пайда болатын вакуум нәтижесінде орындалады. Салқындатқыш су мен конденсат қоспасы конденсатордан гидрожабқышы 9 бар барометрлік құбырдың көмегімен орындалады. Үшінші корпуста түзілетін концентрленген ерітінді ортадан тепкіш сорғымен 10 суалтылған ерітіндіге арналған аралық ыдысқа 11 сорылады. Жұмыс барысы. Суалту процесін есептеу. G б = кг/сағ (11,12 кг/с) КОН сулы ерітіндісін концентрлеуге арналған үшкорпусты суалту аппаратын жобалау қажет. Ерітіндінің бастапқы концентрациясы х б = 5%, соңғы концентрация х с = 40%. Процесті келесі жағдайларда жүргізеді: жылыту қаннықан су буымен орындалады, будың қысымы Р г1 = 1,079 МПа; барометрлік конденсатордағы қысым Р бк = 0,0147 МПа; бу мен ерітіндінің бір-біріне қатынасты жылжу бағыты тура; ерітінді бірінші корпусқа қайнау температурасына дейін жылытылып беріледі. 1) Суалту аппараттарының жылу беру бетін есептеу Суалту қондырғысының әрбір корпусының жылу беру беті жылу тасымалдаудың негізгі теңдеуі бойынша орындалады F Q K (1) Қондырғының суалтылатын су бойынша өнімділігін материалдық баланс теңдеуінен табылады W = G H (1-x H /x K ) (2) Сонда W = 11,12(1-5/40) = 9,72 кг/с 2) Суалтылатын ерітіндінің концентрациясы t орт

18 Сонда Әрі қарай корпустардағы ерітінділердің концентрациялары есептеледі 3) Ерітінділердің қайнау температуралары Қондырғыдағы қысымның жалпы ауытқуы тең болады: Алдымен қысымның жалпы ауытқуын корпустар арасында тең бөледі Барометрлік конденсатордағы қысымның ауытқуы Булардың қысымдары бойынша олрадың қайнау температуралары мен энтальпияларын анықтаймыз Корпустардағы екіншілік булардың температуралары Гидродинамикалық депрессилар қосындысы Бірінші корпустың жылу тасымалдау ауданы тең болады Тәжірибе нәтижелерін өңдеу 1. Орындалған өлшеулер нәтижелерін кестеге енгіземіз. Шынайы ауытқу бұрышын tgα 2. Кестені (1) қолданып шынайы ауытқу бұрышының сәйкес мәнін табамыз. 3. Зертханалық жұмыс бойынша қорытынды шығарамыз.

19 Алынған білімдерді бақылау 1. Суалту процесінің міндеті қандай? 2. Суалту процестерінің қолданылу аймақтары қандай? 3. Суалту процестері қалай жіктеледі? 4. Температуралық депрессия дегеніміз не? Оның процеске тигізетін әсері қандай? 5. Барометрлік конденсатордың міндеті қандай? 6. Вакуумды туғызу қалай орындалады? Зертханалық жұмыс 3 Абсорбция процесінің тепе-теңдік диаграммасын салу Жұмыстың мақсаты: Абсорбция процесінің тепе-теңдік диаграммасын әртүрлі процестер үшін құрастыру Сабаққа өздігінен дайындалуға арналған сұрақтар 1. Абсорбция және десорбция процестері қандай тәжірибелік міндеттерді атқаруда қолданылады 2. Абсорбенттің минималды және оптималды меншікті шығыны дегеніміз не? 3. Абсорбциялық аппараттарға қандай негізгі талаптар қойылады? Жабдықтаулар және реактивтер: Абсорбциялық қондырғының технологиялық схемасы, абсорберлердің макеті мен суреттері. Жалпы теориялық мәліметтер. Абсорбция газдарды белгілі бір дәрежеде ерітетін сұйық затпен сіңіру процесі. Оған кері процесті, яғни ерітіндідегі еріген газды бөліп алу процесі десорбция деп аталады. [10, 457 бет] Абсорбциондық процестерде (абсорбция немесе десорбция) қатысатын екі түрлі фаза сұйық және газ фазалары абсорбция кезінде газ фазасынан сұйық фазаға айналу процесі немесе оған кері процесс, яғни сұйық фазадан газ фазасына ауысу процесі (десорбция) өтеді. Сөйтіп, абсорбциялық процестер масса алмасу процестерінің қатарына енеді. [10, 457 бет] Тәжірибе жүзінде абсорбция процесіне жеке газдарға қарағанда газды қоспаларды жиірек қолданады. Бұл қоспаның бір немесе бірнеше компоненттері берілген сіңіргішпен көп мөлшерде сіңіріле алады. Бұл компоненттерді абсорбцияланған компоненттер немесе жай компоненттер деп атайды, ал сіңірілмеген жеке компоненттер инертті тасымалдағыш деп аталады. [10, 457 бет] Сұйық фазасы сіңіргіштен және абсорбцияланатын компоненттен құралады. Көп жағдайларда сіңіргіш зат ретінде абсорбцияланатын компоненттен химиялық реакцияға түсетін белсенді компоненттің ерітіндісі болады; құрамында белсенді компоненті еріген зат еріткіш деп аталады. [6, 203 бет]

20 Инертті тасымалдағыш және сіңіргіш газды және сұйық фазасының тасымалдаушылары болып саналады. Физикалық абсорбция көбінесе қайтымды болып келеді және физикалық абсорбция кезінде инертті тасымалдағыш және сіңіргіш заттар шығындалмайды да, компоненттің бір фазасынан екінші фазасына өту процесіне де қатыспайды. Ал хемособция кезінде сіңіргіш компоненттерімен химиялық өзара әрекеттеседі. Өндірісте абсорбция келесі негізгі нысаналарды орындауға қолданылады: 1) Дайын өнімді алу үшін (мысалы, күкірт қышқылы өндірісінде күкірт оксидін абсорбциялау, хлорсутекті қышқылды алуда газды абсорбциялау, азот қышқылы өндірісінде азот оксидтерін сумен абсорбциялау және т.б.); бұндай жағдайда абсорбция десорбциямен бірлесіп өткізіледі. 2) Бағалы компоненттерді газ қоспасынан ажыратып алу үшін (мысалы, кокс газынан бензолды абсорбциялау; табиғи газдың пиролизінен және крекинг газынан түзілген ацетиленнің абсорбциялау және т.б.); бұндай жағдайда абсорбция десорбциямен бірлесіп өткізіледі. 3) Газдық серпулерді зиянды қоспалардан тазарту үшін (мысалы, отын газдарын күкірт диоксидіден тазарту, минералды тыңайтқыштарды өндіру кезінде бөлінетін газдарды фтор қоспаларынан тазарту және т.б.). 4) Газдарды құрғату үшін, онда абсорбциялық процестерге (абсорбция мен десорбция) екі фаза қатысады сұйық және газ заттардың газды фазадан сұйық фазаға өтуі (абсорбция) және керісінше, сұйық фазадан газды фазаға өтуі (десорбция), ал инертті тасымалдағыш және сіңіргіш компонент тасушы ғана бола алады. Абсорбциядағы тепе-теңдік. Абсорбция процесінде ерітіндідегі газдың сұйықпен сіңірілуі газдың қасиеттеріне, қысымға, температураға және газды фазаның құрамына байланысты болады. [10, 458 бет] Абсорбция процесінің еркіндік дәрежесі 3-ке тең, яғни газ-сұйық жүйе үшін айнымалы шамалар температура, қысым және концентрация болып табылады. Абсорбциялы-десорбциялы процестер үшін газдар және олардың сұйықтағы ерітінділері арасындағы тепе-теңдік Генри заңымен өрнектеледі: сұйықта ерітілген газдың парциалдық қысымы (Р А ) оның ерітіндідегі мольдік үлесіне (х А ) пропорционал [10, 459 бет] Р А * = Ух А (1) немесе газдың (сіңірілген газының) сұйықтағы мольдік үлесі х А * = (1/Е)Р А (2) мұндағы P A* концентрациясы x A болатын, ерітіндімен тепе-теңдікте болатын, сіңірілетін газдың парциалды қысымы; X A* сіңірілетін компонеттің парциалды қысымы Р А тең болатын, газды фазамен тепе теңдікте болатын газдың ерітіндідегі концентрациясы;

21 Е Генри коэффициенті. Газдар үшін Генри коэффициентінің сандық мәндері сіңіргішпен газдың табиғатына, температурасына байланысты, ал жүйенің жалпы қысымына байланысты емес. Генри тұрақтысының температураға тәуелдігі келесі теңдеумен сипатталады lne = - (Ф/RT) + с (3) мұндағы Ф газдың дифференциалды жылу ерігіштігі; с газдар мен адсорбенттің табиғатына тәуелді болатын тұрақты шама; R газ тұрақтылысы. Р t 1 tgα1 =E 1 t 2 t 3 Сурет 1 Концентрация тепе-теңдік диаграммасы Келтірілген P-х диаграммада тепе-теңдік концентрациялардың қысымға байланысты болуы түзумен өрнектелген. Бұл түзу сызықтың көлбеу бұрышының тангенсі (tgα) Генри коэффициентіне (Е) тең [10, 459 бет]. Температура көбейген сайын Генри коэффициентінің мәні де артады және теңдеуіне сәйкес газдың сұйықтағы ерігіштігі азаяды. Егер у А сіңірілетін А құрастырушының газ қоспасындағы мольдік үлесі, Р жүйедегі жалпы қысымы болса, онда Дальтон заңы бойынша, парциалдық қысым (Р А ) мынаған тең болады Теңдеуге (1) қойсақ 0 немесе Генри заңын төмендегідей жазуға болады Р А = y A P (4) y A * = (E/P)x A, (5) y A * = mx A, (6) мұндағы m = E/P таралу коэффициенті немесе фазалық тепе теңдік. х

22 Генри заңын сұйық температурасынан айнымалы температуралары жоғары болған газдардың ерітінділері және тек идеалды ерітінділер үшін қолданылады. Сондықтан, бұл заңды жеткілікті дәлдікпен идеал ерітінділерге жақындау, өте сұйылтылған нақты ерітінділер үшін қолдануға болады. Бұл заңға бағынбайтын жүйелер үшін (6) теңдеудегі m коэффициенті айнымалы болады және тепе-теңдік сызығы қисық болады. (6) теңдеуді орташа қысым, төмен температура және газбен сіңіргіштің химиялық әрекеттесуі болмаған жағдайларда қолдануға болады. Жоғары қысымда (10 атм-дан жоғары) газ және сұйық арасындағы тепе-теңдік Генри заңына бағынбайды. Фазалар құрамы абсолютті емес, салыстырмалы концентрацияда өрнектелсе, онда Генри заңы басқаша жазылады. Мысалы, салыстырмалы мольдік концентрациямен белгілегенде (6) теңдеуге негізделіп төмендегіні жазуға болады [10] у * mx 1 у * 1 x (7) Пропорция қасиетіне негізделіп у * mx 1 у * у * 1 x тх (8) немесе у* mx 1 (1 т) х (9) Демек, Генри заңын салыстырмалы концентрация өрнектелген газсұйық жүйенің, тепе-теңдігі қисық сызық болады. Дегенмен, өте сұйылтылған ерітінділер үшін (1 m)х = 0 деп қабылдауға болады. Онда (9) теңдеуді былай жазуға болады [10, 459 бет]. у* = mx (10) Жұмыс барысы. Тепе-теңдік диаграммасын құрастыру

23 Сурет 2 Кокс газында және таскөмірлі майда бензол көмірсутектерінің мөлшері арасындағы тәуелділік: 1 тепе-теңдік сызығы; 2 жұмыс сызығы Тәжірбие нәтижелерін өндеу Кесте 1 Жұмыс нәтижелері Цилиндрді толтыру биіктігі Н, см см 3 Түйіршікті-кесекті массаның көлемі V0, Үйілген салмақ γүйіл, Г/см 3 Ұсақ кесектердің пайызы Толтыру дәрежесі é³ë ìàò Кеуектілік дәрежесі 1-φ γмат, Г/см 3 салмағы меншікті Материалдың Түйіршікті-кесек материалдың салмағы Р, Г Цилиндр диаметрі d, см 2. Зертханалық жұмыс бойынша қорытынды шығарамыз. Алынған білімдерді бақылау 1. Тепе-теңдік сызығы дегеніміз не? Оның міндеті қандай?

24 2. Жұмыс сызығын салуда қандай параметрлер қолданылады? 3. Толтыру дәрежеі және кеуектілік дәрежесі дегеніміз не? 4. Толтыру дәрежеі және кеуектілік дәрежесі шамалары неге тәуелді болады? Оларды есептеуде қандай теңдеулер қолданылады? 5. Жалған сұйылту қабатының гидродинамикасы. Пневмотранспорт. 6. Сұйықтың қабықшалы қозғалысы қалай орындалады? 6 Әдебиеттер тізімі Негізгі әдебиет 1 Ахбердиев Ә., Молдабеков Ш.М. Химиялық технологияның негізгі процестері және аппараттары, 1-ші бөлім. Алматы, 1993, РБК, 302 б. 2 Ахбердиев Ә.С. Химиялық технологияның негізгі процестері және аппараттары, 2-ші бөлім, Алматы, 1994, РБК, 183 б. 3 Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии, 9-е изд., М., Химия, 1973, 750 с. 4 Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. М. : Химия, 1995, 786 с. 5. Руководство к практическим занятиям в лаборатории процессов и аппаратов химической технологи, под ред. Романкова П.Г., 5 изд.., Л. Химия, 1979, 256 с. 6 Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии, 3 изд. М. : Химия, 1987, 540 с. 7 Коган В.Б. Теоретические основы типовых процессов химической технологии, Л. Химия, 1997, 512 с. 8 Основные процессы и аппараты химической технологии (пособие по проектированию). Под ред. Ю.И.Дытренского, М., Химия, 1991, 496 с. 9 Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Химиялық технологияның процестері және аппараттары пәнінің мысалдары мен есептері (бірінші, екінші, төртінші, бесінші, алтыншы, тоғызыншы, оныншы тарауларының қазақ тіліндегі аудармалары). Шымкент, ж.ж. 10 Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии, Л., Химия, 1987, 576 с. 11 Руководство к практическим занятиям в лаборатории процессов и аппаратов химической технологии, под ред. Романкова П.Г., 5-е изд., Л., Химия, 1979, 256 с. Қосымша әдебиет 12 Александров И.А. Ректификационные и абсорбционные аппараты, М.,Химия, 1987, 280 с. 13 Анштейн В.Г., Захаров М.К., Носов Г.А. и др. Общий курс процессов и аппаратов химческой технологии. Книга 1. М., Химия, 1999, Анштейн В.Г., Захаров М.К.,Носов Г.А. и др. Общий курс процессов и аппаратов химческой технологии.книга 2. М., Химия, 1999, 872 с.

25 15 Гельперин Н.И. Основные процессы и аппараты химической технологии. М., 1981, 812 с. 16 Иоффе И.Л. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. Ленинград : Химия, с. ил. 17 Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химической технологии, 3 изд. Л. Химия, 1982, 288 с. 18 Черкасский В.М. Насосы, вентиляторы, компрессоры, М. : Энергоатомиздат, 1987, 416 с.