2 Технологиялық бөлім

2.1 Ректификация процесінің негіздері

Өңделетін газдың құрамына және одан компоненттерді бөлу тереңдігіне байланысты тұрақсыз бензиннің құрамы кең шектерде ауытқып отырады. Тұрақсыз бензин туралы өнім ретінде қолданыс таппайды: халық шаруашылығында одан бөлінетін пропан, изобутан, н-бутан, изопентан, н-пентан, гексан, тұрақты газды бензин сияқты техникалық таза жеке көмірсутектер қолданылады. Сонымен қатар коммуналды – тұрмыстық отын ретінде пропан-бутанды қоспа пайдаланылады.

Әрбір бөлінетін көмірсутекке қойылатын негізгі талап – оның тазалығы, яғни алынатын фракциядағы компоненттің жоғары концентрациясы. Өндірістік жағдайда тап – таза көмірсутектер алу мүмкін емес. Өнімдегі компоненттермен бірге қайнау температуралары жақын басқа да көмірсутектер болады. Сұйық көмірсутектердің нақты компоненттерге бөлінуі ректификация процесі натижесінде жүзеге асады. Егер бір-бірінде еритін екі сұйық қоспасын біртіндеп ысытатын болсақ, онда қайнау температурасы төмендеу сұйық қайнай бастайды. Бұл сұйықты қайнау температурасын төмен компонент деп атайды.Қайнау температурасы кезінде төмен температурада қайнайтын компонентті түгелімен буға айналдыруға болады. Бұдан кейін қалдық жоғары температурада қайнайтын компоненттен тұрады. Бұл қалдық кубты қалдық деп, ал төмен температурада қайнайтын компоненттің тоңазытқышта конденсациясынан кейін ол дистиллят деп аталады. Бұл аталған процесс айдау процесі айырылған компоненттерді таза күйінде алуға мүмкіндік бермейді. Өйткені, төмен температурада қайнайтын компонент буының құрамында жоғары температурада қайнайтын компоненттің кейбір мөлшері болуы мүмкін және керісінше кубты қалдықты төмен температурада қайнайтын компоненттің кейбір мөлшері еруі мүмкін. Компоненттерді толық және нақты бөлу үшін ректификация процесі қолданылады [9].

Ректификация – қайнау температуралары алшақ сұйық қоспаларды құрам компоненттеріне немесе құрам компоненттерінің тобына айыру процесі.

Екі компонентті қоспаны ажырату принципін қарастырайық. Екі бөлікке – жоғары және төмен температурада қайнайтын – ажыратылатын шикізат колоннаның ортаңғы бөлігі тарелкаға беріледі. Шикізат колоннаға сұйық, бу немесе булы сұйық түрінде берілуі мүмкін. Колоннаға берілген сұйық қоспа контактты қондырғылар арқылы колоннаның төменгі бөлігіне қарай жылжиды. Сұйық ағынына қарсы колонна кубында сұйықтың қайнау нәтижесінде пайда болған бу жүреді. Төмен жатқан тарелкалардан келіп түсетін булардың температурасы жоғары жатқан тарелкалардағы сұйықтың температурасынан жоғары болады. Тарелкада бу мен сұйықтың әсерлесуі нәтижесінде температуралардың теңесуі жүреді. Бұл кезде салқындатылған булардан жоғары температуралы компоненттің сұйық фазаға кейбір мөлшері бөлінеді. Ал ағып бара жатқан сұйықтан төмен температуралы компонент буланады, яғни әрбір тарелкада немесе контактты қондырғыда жылу алмасу және масса алмасу жүреді. Бу колоннамен көтерілген сайын оның құрамындағы жоғары температуралы компонент азая түседі және сәйкесінше төмен температуралы компонент концентрациясы артады. Ал төмен ағып бара жатқан флегмадат жоғары температуралы компонент концентрациясы артады да, төмен температуралы компонент азаяды.

Колоннаның жоғары бөлігіндегі булар конденсаторға беріліп, ол жерде салқындатылады да, толығымен немесе бір бөлігі конденсирленеді. Конденсирленген өнім немесе дистиллят насоспен сорылып алынады, ол тарелканың жоғары бөлігінен ағып, сұйық ағын флегма түзеді. Дистилляттың артық бөлігі қондырғыдан шығарылады немесе басқа колоннаға шикізат ретінде беріледі. Флегма колоннаның астынан рибойлерге (қайнатқыш) беріледі, ол жерде ол жылу әсерінен жартылай буланады. Флегмадан шыққан булар қайнатқыштан колоннаға қайтарылады және ректификацияға қажет булар ағынын түзеді. Бір ректификациялық колоннада сұйық көмірсутектер қоспасын екі фракцияға бөлуге болады. Қоспаны үш фракцияға бөлу үшін екі колонналы қондырғы қажет. Бірінші колоннада бір фракция бөлінсе, қалған екеуінің қоспасы екінші колоннада бөлінеді. Қоспаны n фракцияға бөлу үшін n-1 ректификациялық колонна қажет. Ректификациялық колоннадағы тарелкалар саны бөлінетін компоненттердің қайнау температураларының айырымына байланысты. Көмірсутектердің температуралары бір-біріне неғұрлым жақын болса соғұрлым колоннада көп тарелка қажет. Ректификациялық колоннаның жұмысын анықтайтын негізгі параметрлер – қысым, колоннаның жоғарғы, төменгі және шикізат кіретін бөлігінің температурасы, флегма саны. Теориялық жағдайда көмірсутектер ректификациясы процесін қысымның кең диапазонында жүргізіуге болады терең вакуумнан критикалық үлкендікке дейін. Бірақ оптималды варианты минималды қысымы. Ол кезде жоғары өнімнің конденсациясын сумен немесе ауамен салқындату арқылы жүргізуге болады. Бұда кейін бөлу ыдысындағы таңдалған температура колоннадағы қысымды анықтайды: жоғарғы өнім буының парциялды конденсациясы кезінде шық нүктесінің қысымы, ал толық конденсация кезінде қайнап жатқан сұйықтың қаныққан буының қысымы беріледі. Көп жағдайда газды фракциялық қондырғылардың салқындатқыш агенті ретінде кері су болып табылады. Бұдан жоғарғы өнімнің конденсация температурасы ретінде 40⁰С қабылданған, ал ауалы салқындатқыш аппараттарын қолданған кезде бөлу ыдысындағы температура 10-12⁰С болуы керек.

Жоғарғы өнімнің мұндай конденсациясы кезінде бөлу ыдысындағы абсолютті қысымды мына теңдік (1) арқылы анықтайды:

Х₁П₁+Х₂П₂+Х₃П₃+...+Х_nП_n=р (1)

мұндағы х₁х₂х₃...х_n– компоненттердің молярлы концентрациясы;

П₁ П₂ П₃...П_n – бөлу ыдысындағы есептелген температурадағы компоненттердің қаныққан буларының абсолютті қысымы, МПа.

Бөлу ыдысындағы қысым берілген температурадағы қаныққан булардың парциялды қысымдардың қосындысына тең. Ректификациялық колоннадағы қысым әдетте бөлу ыдысындағы қысымнан 0,2-0,3 МПа жоғары алынады.

Сұйық қоспадан метан және этан сияқты жеңіл көмірсутектер бөлінген кезде қысым кең ауқымда өзгере алады. Өйткені, ол тек шикізат құрамына емес, сонымен қатар қондырғының технологиялық сызбанұсқасына да байланысты. Колоннаның төменгі жағының температурасы колоннадағы қысым кезінде қалдықтың қайнау температурасының басталуына сәйкес келуі керек. Колоннаға берілетін шикізаттың температурасы тарелканың есептелген температурасына сәйкес болуы керек. Бұл жердегі температура негізінен хладоагент және жылутасығыштың шығындарымен анықталады. Метан және этанды бөлу кезінде қымбат хладоагенттер (пропан, аммиак) қолданылса, онда шикізатты қайтадан ысыту тиімсіз, яғни оны қайнау температурасы кезінде колоннаға бағытталған дұрыс немесе салқындатылған күйінде беру керек. Ол арзан хладоагенттер (су және ауа) және қымбат жылутасығыштар қолданған кезде шикізатты булы – сұйық түрінде тиімді.