Масса алмасу аппараттары

1.Жалпы мәліметтер және топтастырылуы;

2.Фазалы әрекеттердің бекітілген бетіндегі аппараттар;

3.Ағындардың қозғалуы процесіндегі калыптасатын әрекеттесу бетті аппараттар;

4.Сырттай энергия берілудегі аппараттар ;

5.Кристаллдағыштар.

1.Жүру барысы бір фазадан екінші фазаға заттың берілу жылдамдығыменен анықталатын технологиялық процесті атқаруға арналған аппараттарды массаалмастыру аппараттары деп атайды. Бұл аппараттардың реакциялық аппараттардан ерекшелігі, мұнда реакция өнімі реакцияланған түс реакцияға түспеген бөліктерге бөлінеді.

Массаалмасу аппараттарда келесі массаалмасу процестері атқарылады: абсорбция, адсорбция, экстракция, ректификация және кристаллдану.

Бұл процесстерді басым жағдайда бағаналы типтегі аппараттарда атқарады. Бұл аппараттар өздігінде биіктігінің диаметріне қатынасы елеулі сипаттағы (L/D>10) цилиндрлік ыдыс болып табылады.

Бағананың ішінде әрекеттесуші фазалардың кқжетті бетінің қалыптасуын бейімдеуші түрліше конструкциядағы әрекеттестіру құрылғылары орнатылады, және де бұл құрылғылар негізгі жұмысшы орта болып табылады. Бұл әрекеттестіруші құрылғылар конструкциясы бойынша алуан түрлі, және де олардың нақтылы қолданылуы массаалмасушы процесстің түріне және әрекеттесуші орталардың физико-химиялық қасиеттеріне байланысты қабылданады.

Массаберілу теориясынан мәлім болғандай, бір ортадан екінші ортаға өтетін заттардың мөлшері фазалық әрекеттесу бетіне және процестің қозғалушы күшіне,яғни қарастырушы компоненттердің концентрациясының айырмасы бара-бар.

Массаалмасу процесінің қозғаушы күші шектеулі шама болғандықтан процестің қарқындылығын арттырудың жалғыз жолы әрекеттесуші фазалардың әрекеттесу бетін арттыру болып табылады. Осыған орай фазааралық беттің түзелу принципі, массаалмасу аппараттардың топтастырылуының негізіне қаланған. 1-суретте өнеркәсіпте кеңінен таралған біршама типтік массаалмасу аппараттарының топтастырылу схемасы келтірілген. Бұл схемада кристализаторлар келтірілмеген, себебі кристаллдау процесі сипаты бойынша жылуалмасу процесіне сай келеді, және де жеке массаалмасу аппараттарының тобын құрайды.

Массаалмасу аппараттары үздіксіз және мезгілді әрекеттегі, тұтас пісірілген және құрамалы (цоргалы фланецпен біріктірілген) болып келеді.

1-сурет. Массаалмасу аппараттарының топтастырылу схемасы

Мұндай массаалмасу аппараттары 0,3-10м диаметрде және 50м жоғары биіктікте болады (металлдан жасалынған аппарат D 4м). Мұндай биік аппараттарға қызмет көрсету үшін сыртқы тұсынан люк орналасқан деңгейде қызмет көрсету алаңдары, өткелдер, этажеркалар орнатылады.

Бұл металлконструкциялар стандартты дайындамалардан дайыңдалады. Аппараттар ашық алаңда іргетастарда және басқа да тұғырлық элементтерде цилиндрлік және конустық тіректерде орнатылады.

2.Фазалық әрекеттесуінің бекітілген бетіндегі аппараттар.

Бұл топтағы массаалмасу аппараттар сұйық пен газ арасындағы аралық әрекеттесу беті тоғыстырғыш элемент беттеріндегі сұйық пленкасы түрінде болады. Бұл аппарат түріне пленкалы, сөрелі және шашыратқыш аппараттар жатады.

Пленкалы аппараттар өздігінде ішінде құбырдан және табақшадан жасалған тоғыстырғыш құрылғылы болып келеді. Сұйық тоғыстырғыш элемент бетінде жоғарыдан төмен өз салмағының ықпалымен, және газ ағынының кинетикалық энергиясы ықпалыменен төменнен жоғары қарайғы бағыттарда жүреді. Әрекеттесуші фазалардың қозғалу бағытына қарай бағыттас және қарсы ағысты деп түрленуі мүмкін. Сұйықты біркелкі беру үшін аппараттың жоғарғы бөлігінде арнаулы тарату құрылғысы қарастырылған. Сұйықты тарату құрылғысының басты тағайындалуы тұтқама бетінде қалыпты пленкалық ағысты қамтамасыз ету.

Мұндай типтегі аппараттардың басты артықшылығы газ ағынының үлкен жылдамдығы (пленканы төменнен жоғары қарайғы ағысында 30-40м/с жетеді) және төмен гидравликалық кедергісінің болуы.

Мұндай аппараттарда массаалмасу процесінің қарқындылығы жұмыс аймағындағы секциялануының арқасында анағұрлым артық.

Сөрелі аппараттар жиі сұйық-сұйықтық экстракция процестері үшін қолданылады. Ауыр сұйық тамшылары колиценциялана отырып қатты тұтас фазаменен шайылатын бөгеттерді жұқа пленка түрінде ағып өтеді.

Шашыратқышты аппараттар абсорбция және сұйыктық экстракция процестерінде қолданылады. Мұндай аппараттарда фазааралық бет, тұтас фазаға шашыратылып берілген сұйық тамшысының беті болып есептеледі.

Сұйықты мұндай аппаратта келесі екі тәсілменен шашыратып береді:

-Сұйықты форсунканың көмегіменен шашыратудағы (абсорберлер мен экстракторлар).

-Үлкен жылдамдықта қозғалатын газ ағынының кинетикалық энергиясы есебінен сұйықты шашырататын (шапшаң бағыттас ағынды Вентури абсорбері).

Бірінші тәсілде газ төменнен жоғары қарай қозғалса, ал сұйық бағананың жоғарғы бөлігінде орналасқан шашыратқыш құрылғы арқылы сұйық шашырау алауын төмен қарай немесе көлбеу белгілі бұрышпен береді, сонымен қатар бірнеше қатарда орналасып төменнен жоғары қарайғы бағытта береді. Қарсы ағыстағы кеуек шашыратқыш скрубберлерде газ жылдамдығын 1 м/с дейін көтеруге болады, жоғары жылдамдықтарда газбенен үлкен мөлшердегі сұйықтың жетілуі орын алады. Газ бен сұйықтың бағыттас ағысында процесті үлкен жылдамдықтарда жүргізуге болады (20-30 м/с және оданда жоғары). Мұндай аппараттар үлкен өнімділікті қамтамасыз еткеніменен, процесс өте төмен тиімділікте жүреді.

3.Ағындардың қозғалу процесінде түзілетін тоғысу бетті аппараттар.

Мұндай массаалмасу аппараттарының түріне табақшапы және тұтқамалы бағаналар жатады. Фазалардың әрекеттесу беті бұл аппараттарда сұйық пен газдың қарсы ағысында түзіледі, мұнда газ түрлі типтегі тұтқама бетіндегі сұйық қабаты арқылы барботаждалады.

Табақшалы аппараттарда сұйық табақша беттерінде белгілі қабат түзе отырып жоғарыдан төмен қарай табақшадан табақшаға ағады, ал газ төменнен жоғары қарай аға отырып табақшалардың тоғыстыру құрылғыларында бірнеше шағын толастарға шағылып сұйықпенен әрекеттеседі де бағананың жоғарғы бөлігінен тыс шығарылады.

Сонымен тоғысу бетінің ауданын мұндай аппараттарда тұтқама және табақшалардың конструктивті сипаттамалары, олардың орналасу жағдайы (ретпен, аралық адымы және т.б). Тиімді гидродинамикалық тәртіпті қамтамасыз ете отырып анықтайды. Мұндай тоғыстырғыш элементтердің конструктивті түрлері 2-ші кестеде келтірілген және де әрқайсысының ерекшеліктері, тағайындалуы және қолдану бойыша нұсқаулықтар, олардың басым тұстары мен кемшіліктері окулықтарда келтірілген.

4.Энергияны сырттан хабарлаудағы аппараттар.

Бұл топтағы аппараттарда фазалардың әрекеттесу беті сұйықтың жалпы ағынын механикалық немесе екпіндеуші күштер көмегімен құраушыларға ұсақтаумен қалыптастырылады. Бірінші жағдайда айланушы құрылғылар мен тұтас ағынды шиырылтушы тосқауылдарды қолданса, екінші жағдайда тұтас немесе сұйық фазаға түрлі көздерден дірілді тербелістер және екпінді қозғалыстар құрылғыларын қолданады.

Мұндай аппараттарда энергияны беру тәсілі мен конструктивті схемасына карай үш топқа бөлуге болады: араластырғышы бар, роторлы жэне екпіндетуші. (3-кесте)

Араластырғышты аппараттар сұйықтың экстракторлар ретінде қолданылады да, олардың конструкциялары кәдімгі араластырғыш аппараттардан елеусіз өзгешеленеді. (1)

Конструктивті жабдықталуына қарай роторлық аппараттар роторлы-пленкалы, роторлы- дискалы жэне роторлы-центрдентебуші болып түрленеді.

Екпінді массаалмасу аппараттары негізінен экстракторлық процестері үшін қолданылады.

Сыртқы энергия тербелістер түріндегі сұйыққа түрлі пульсаторлардың көмегіменен беріледі. Тербеліс ықпалыменен массаалмасу қарқындылығы артады, аппараттың өнімділігі артады.

Сұйыққа ілгерлі-кейінді тербелісті (екпінді) хабарлаудың көмегіменен қосымша энергия енгізу келесі екі тәсілменен атқарылады:

-жалпы штапта бекітілген және ілгерлі-кейінді қозғалыс хабарланатын табақшалы тоғыстыру құрылғысын дірілдету көмегімен;

-арнаулы механизмнің көмегімен (пульсатормен) аппараттан тыс орнатылған, яғни пульсаторменен туындаған тербелістер гидравликалық түрде экстрактордағы сұйыққа беріледі.

Екпінді әсер дисперсияланған фазаның тамшыға ұсақталуын бейімдей отырып, әрекеттесу бетін арттырады, олардың қарқынды араласуын, сонымен қатар дисперсияланушы фазаның аппаратта болу уақытын ұзартады.

Екпінді аппараттарда түрлі конструкциядағы пульсаторларды қолданады: поршенді(плунжерлік), мембраналы , пневматикалық .

Поршендік пульсаторлар: жеңіл фазаны беру желісіне, не бағананың түбіне тікелей жалғанған клапансыз поршенді сорап.

Пневматикалық пульсатордың көмегіменен сораппенен жалғанған камерадағы сұйыктың бос деңгейінің үстіндегі ауаның немесе инертті газдың қысымы поршеннің қозғалысыменен мезгілді қысымы өзгеріп отырады. Бұл тербелістер тұтқамалы экстракторлық бағанадағы сұйықтың тербелмелі қозғалысын туындайды.

Мембраналық пульсаторларда сұйыққа тербелмелі қозғалыс мембрана арқылы хабарланады, және де бұл аппаратта өңделінетін және жұмысшы сұйықтарды бөледі.

Сифонды пульсаторларда сифонның механикалық тербелісін ондағы толтырылған сұйықтың сәйкесінше тербелісіне түрлендіріледі.

Екпінді аппараттардың басты кемшілігі, оның диаметірінің шектелгендігі (әдетте 60-800 мм аспайды). Диаметрдің артуыменен гидродинамикалық сипаттамаларды қамтамасыз ету қиындығы байқалады (жылдамдықтың аппарат қимасында біркелкі таралмауы, кавитацияның орын алуы), сондай-ақ аппараттағы үлкен сұйық көлеміне екпінді әсерді хабарлау үшін энергия шығыны артады.

5.Кристализаторлар.

Өнеркәсіптік технологияларда келесі кристалдау тәсілдері кеңінен қолданылады: еріткіштің бір бөлігін тыс шығаруменен кристаллдау, ерітіндіні суыту немесе қыздыруменен кристалдау, қиыстырылған тәсілдері (вакуумкристалдағыштар, еріткіштің бір бөлігін тасымалдау, ұсақтау немесе фракциялау, кристалдау аймақтарында буландыруменен кристалдау).

Осы тәсілдерге сай кристалдағыштар келесідегідей топтастырылады:

-еріткіштің бір мөлшерін тыс әкетумен кристалдау;

-ерітіндіні суытуменен кристаллдау;

-вакуум-кристализаторлар;

-жалған сұйылу қабатында кристалдау;

Еріткіштің бір бөлігін тыс әкетуменен кристалдаудың қарапайым әдісі, бұл буландыру болып табылады. Дегенмен де, ерітіндідегі кристалдардың пайда болуы, және оның әрі қарай өсуіне жағдай жасау үшін аппарат конструкциясына елеулі өзгерістер енгізуді кажет етеді.

Ерітіндіні суытуменен кристалдау аппараттарына тербелмелі, шнекті, ленталы, барабанды және вальцолы кристализаторларды қатыстыруға болады.

Вакуум-кристаллдағыштарда суытушы құрылғылар болмайды, сондықтанда төмен температура өткізгіш коррозияға төзімді материалдардан (мәселен, керамикадан, қышқыл төзімді шойын және т.б) дайындайды. Әдетте мұндай аппараттар бір немесе көп қаңқалы болуы мүмкін. Жалған сұйылу қабатты кристализаторлар процестің жылдамдығын тездетіп, дұрыс пішіндегі (1-3 мм өлшемдегі) біркелкі кристалл алуға мүмкіндік береді. Бұл аппараттар еріткіштің бір бөлігін буландыруменен әкету немесе ерітіндіні тым қаныққанға дейін суыту тәртіптерінде жұмыс істейді.

6.Массаалмасу аппараттарын параметрлік есептеу.

Массаалмасу аппараттарын жобалау барысында технологиялық және конструктивті есептеулерді орындайды.

Массаалмасу аппараттарын технологиялық есептеулерде процестің физикалық моделін, сипаттамалары мен процестің параметрлерін ескере отырып аппараттың диаметрі мен биіктігін, ішкі құрылғылардың гидравликалық кедергісі, материалдың және жылулық баланстарды есептейді. Конструктивті есептерде анықталатыны: аппарат элементтерінің беріктік және тұрақтылық теориясы және жұмыс жағдайы тұрғысынан алғандағы өлшемдері - қаңқа қабықтарының түптері мен қақпақтарының, келтекұбырдың, ішкі құрылғыларының өлшемдері; жел және сейсмикалық күштері ықпалына төтеп беретін тұғырлық бөлігінің түрі мен өлшемдері (ашық орындарда орналасқан аппараттар үшін).

Массаалмасу аппартарының негізгі түрлері үшін технологиялық есептеулерді орындау әдістемесі, «химиялық технологиялардың процестері мен аппараттары» курсында зерделенген. Сондықтанда біз жалпылама мағлұмат берумен шектелеміз.

Көптеген химиялық жабдықтардың, олардың құрамды бөліктерінің беріктіктік есептеулері «химиялық жабдықарды есептеу және конструкциялаудың негіздері» пәнінде зерделенген.

Жоғарыда айтылғандарды назарға ала отырып есептеулерді орындаудың жалпылама әдістемесін қарастырамыз.

Бағаналы массаалмасу аппараттарын есептеулер келесі алғашқы мәліметтер негізінде орындалады; яғни фазалардың көлемдік және массалық шығындары (әдетте аппараттың өнімділігін анықтаушы фазаның) процеске қатысушы компоненттердің бастапқы және соңғы конструкциялары; процеске қатысушы компоненттердің физико-химиялық және жылу физикалық сипаттамалары; процестің температуралық тәртібі мен қысымы; ағындардың, олардың компоненттерінің аппарат материалына әсер ету сипаты;тоғыстырушы құрылғының конструктивті ерекшелігі; ағындардың қозғалу бағыты және т.б.

Аталған алғашқы және есептемелік мәліметтер көмегіменен келесілерді анықтау қажет. аппараттың диаметрі мен биіктігі; сұйық фазаның шығынын (абсорбциялауда), жылутасымалдағыштардың немесе шығындарын (қажетті жылуалмасу бетін анықтауменен, негізінен ректификациялау процестері үшін); аппараттың гидравликалық кедергісін, аппаратгың негізгі конструктивті элементтердің өлшемдерін пысықтау; аппараттың жылуизоляциялық түрі мен өлшемдерін есептеу.

Фазалық әрекеттесудің бекітілген бетіндегі массаалмасу аппараттарының негізгі түрлерінің нобайлары.

Экстракторлар

Бағаналы экстракторлар – сұйық-сұйық жүйелеріне арналған бағаналы экстракторлар энергия хабарлауменен оны хабарлаушы деп түрленеді.

Біріншісіне, шашыратпалы, тұтқалы,тортесікті эсктракторлар , екінші топқа араластырғышты-тұндырғыштар, роторлық, пульсациялық , дірілді және т.б жатады.

Экстракциялау процесінде жылдамдығын арттыру үшін бастапқы ерітінді мен экстрагентті тығыз әрекеттестіреді (егжей-тегжейлі), әдетте бірнеше қайтара атқарады.Нәтижесінде эстракт ( яғни , экстрагентте сіңірген заттар ерітіндісі ) және рафинат (қалған бастапқы ертініді) алынады. Бастапқы ерітінді құрамында қалған құнды зат ректификациялауменен және реэкстракциялау жолыменен алады. Соңында экстракттан мақсатты өнімді бөліп алады және экстрагентті рафинаттан регенерациялайды.

Экстракциялау процесі келесі бірқатар жағдайларда теңдесі жоқ:

-ректификациялау жолыменен айыру қиын немесе тіпте мүмкін болмаған жағдайда ұшқын заттарды айыру;

-температураның өзгеруіне сезімтал (термоқұбылмалы) заттар қоспасын бөлуде (мәселен,антибиотик немесе дәрілік препараттардың өндірісінде );

-жоғары қайнайтын заттарды терең вакуумды қолдануменен бөлуде (мәселен, молекулалық дистиляциялауменен,фракциялаушы кристалдау әдісіменен қоспаларды бөлуде) ;

- күрделі химиялық құрамдағы, бірдей химиялық құрамдағы , қайнау температурасын бір-бірімен бітіскен заттарды кластарға бөлуде үнемді , әрі тиімді ;

-бөлудің басқа әдістері қолданымсыз болған, органикалық заттардың қоспаларын бөлу үшін ;

-экстракциялық процестерді қолдана отырып, сирек металдарды алу, аса таза және құнды металдарды алуға болады;

-сонымен қатар экстракцияны бөлудің басқа әдістерімен біріктіре қолдануға болады , мәселен жақын қайнайтын және азеотропты қоспаларда экстракциялы-ректификациялауменен , жағу шығынын үнемдеу мақсатында буландыру және ректификациялаудан алдын ала араластырылған ерітінді экстракциялауменен концентрацияланады.

Экстракциялау процесінің негізгі жетістігі, басқа қоспаларды бөлу процестеріменен салыстырғанда , процестің төменгі температурада өтуі, сонымен қатар процесс арасында едәуір толық бөліп алуға қол жеткізеді.

Сұйық – сұйықтық жүйедегі фазалық теңдік экстракт пен рафинаттың шекті концентрациясын анықтайды. Теңдік жөніндегі мәліметтер экстрагентті процестің техсхемасын , аппарат конструкциясы мен оның өлшемдерін , экстрагент пен бастапқы қоспа ағындарының тиімді қатынастарын есептеуде , сонымен бірге процесті атқарудың басқа да шарттарын анықтау үшін қажет. Мұндай жүйелерде фазалық теңдік екі фазадағы таралған заттардың химиялық потенциалдарының теңдігімен анықтай алады.

Мөлшерлі түрде теңдік фазалардағы таралған заттың теңдік концентрация қатынасымен немесе таралу коэффициентіменен , экстракция изотермасымен немесе теңдік сызығыменен y^*=f (x) анықталады.

Тортесікті экстракциялық бағаналар (1-сурет) тік цилиндрлік қаңқадан 1 және төгу құрылғысымен 3 жабдықталған саңылауланған табақшадан 2 (тортесікті) тұрады. Бағана келесідегідей жұмыс істейді. Ауыр фаза АФ келтеқұбыр 4 арқылы үздіксіз бағанаға беріледі де, тұтас ағынменен бағана бойыменен төмен түседі де келтеқұбыр арқылы тас шығарылады. Жеңіл фаза ЖФ 6 келтеқұбыр арқылы бағанаға төменгі табақшаның 2 төлкесіне үздіксіз беріледі. Бұл фаза табақшаның тортесігі арқылы өте отырып , бұл фаза дисперсияланып тамшы түрінде келесі табақшаның астына көтеріледі . Жоғары бөлікте дисперсиялық фаза бөлек фаза деңгейін түзе отырып, тұтас қабатқа колиценциланады да, 5 келтеқұбырдан тыс шығады.Тамшының түзілу және олардың қозғалыс процесінде массаалмасу процесі жүзеге асырылады.

Энергияны хабарлау және экстракциялау аппараттарына араластырғышты экстракторды , роторлы-дискалы экстракторды , ассиметриялы білікпенен орналасқан роторлы-дискалы экстракторды, пневматикалық пульсациялау жүйелі экстракторды, дірілдеткіш экстракторды , үшсатылы «Лувеста» роторлық экстракторын, Подбиявниктің центрдентепкіш экстракторын , тегеурінсіз центрдентепкіш экстракторын жатқызуға болады.

Экстракциялау барысында фазалық әрекеттесу бетінің ауданын дамыту үшін әрекеттесуші сұйықтардың бірін белгілі өлшемдегі тамшыларға дисперсиялайды. Соныменен экстракцияланатын зат тұтас фазадан тамшы бетіне , сонан соң оның ішіне немесе керісінше тасымаладанады.

Өнеркәсіп технологиялары келесі экстракциялау схемаларын қолданады: бірреттік экстракция ; еріткіштің қиылысқан ағысындағы көпреттік экстракция ;еріткіштердің қарсы ағысындағы көпреттік экстракция ; үздіксіз қарсы ағысты экстракция ; сатылы қарсы ағысты экстракция.

Экстракторлық аппараттар:

Экстракциялауды атқаруға арналған аппараттарды экстракторлар деп атайды. Химия өнеркәсіптерінде келесі негізгі экстракторлардың типтерін қолданады: араластырғышты-тұндырғыштық, бағаналы және центрдентепкіш.

Араластырғышты – тұндырғыштық экстракторларда , экстракциялаудың бір сатысын атқару үшін (яғни фазаларды араластру , сонан соң оларды бөлу) бір аппаратты, сонымен қатар екі аппаратта қолдана отырып процесті үздіксіз атқаруға болады.

Араластыру үшін жиі кең таралғаны , бұл араластырғышы бар, инжекторлық, диафрагмалық, түтікшелі араластырғышты , центрентепкіш сораптарды және кәдімгі вентильді қолданады(1-сурет).

а-инжеторлық араластырғыш; б- диафрагмалық араластырғыш;в-түтікшелік араластырғыш.

1-сурет.Араластырғыш құрылғылары

Бұл аппаратта дисперсиялық фаза жеңіл, сонымен қатар ауыр фаза , сонымен қатар экстракт немесе рафинат болуы мүмкін.

Іс-тәжірибеде араластырғышты –тұндырғыштың секцияларында массаберілу процесі тепе-теңдікке дейін жетпейді. Сондықтанда араластырғышты – тұндырғыштың элементтер сұлбасында алынған санды 5-25% көбейту қажет.

1,2-алғашқы ерітінді мен еріткішті беру құбырлары; 3-араластыру аймағы; 4-араластырғыш; 5-араластыру құбыры;6-циркуляциялық құбыр; 7- сипфон, 8- қабаттасу аймағы; 9- сақиналы кеңістік;10-құю патрубкасы.

2-сурет. Араластырғышты-тұндырғыш экстрактор.

2-суретте фазаларды араластыру мен бөлу бір мезгілде қолданылатын араластырғышты-тұндырғыш экстрактор сұлбасы келтірілген. Аппаратта әрекеттесуші сұйықтарда араластырғыш арқылы рециркуляциялауда қаматамасыз ететін циркуляциялық құбыр қарастырылған. Бағаналық экстракторлар бос (шашыратқышты) , тұтқалық, табақшалық , ағынды екпіндетуші бағаналар және роторлы-дискалыққа бөлінеді. Бұл типтегі экстракторлардың барлығында фазалық әрекеттесу беті бір сұйық фаза тамшысын екінші сұйық фазада дисперсиялауменен дамиды. Дисперсиялық фаза ауыр сұйық L , сонымен қатар жеңіл сұйық G фаза болуы мүмкін.

Кристалдандыру

Кристалдандыру деп қатты фазаны ерітіндіден,балқымадан немесе будан бөліп алу процесін айтады. Бұл процесс химиялық реактивтер мен аса таза заттарды өндіру өндірістерінде маңызды орын алады.

Кристалдандыруды келесі тәсілдердің біріменен жүзеге асыруға болады:

-ерітіндіні, балқыманы және буды суыту көмегімен (судағы ертінділерден кристалдандыруда бұл тәсілді изогидрикалық кристалдандыру деп атайды ) ;

-ерітіндіден еріткіштің бір бөлігін бөліп алумен;

-тұзсыздандырумен;

-химиялық реакцияның нәтижесінде .

Химия өнеркәсібінде негізінен алғашқы екі тәсілді қолданады. Тұзсыздандыруменен кристалдандыруда ерітіндідегі тым қанығуды негізгі заттың еріткіштегі ерітінділеуін төмендейтін жүйеге затты араластыру жолыменен атқаруға болады. Араластырылатын зат тұзсыздандырғыш деп аталады.

Кристалдандыру процесінің кинетиксы келесі мақсатта жүретін екі сатыдан тұрады: кристалдық ұрықтарының және кристалдарың өсі .

Кристалдар ұрықтарының түзілуі тым қаныққан ерітіндіде жүреді, яғни тым қанығу белгілі бір шамаға жеткенде . Ұрықша түзілу басталғандағы ерітінді концентрациясы мен ертіндінің қанығу концентрациясы арасындағы айырманы максималды тым қанығу деп атайды.

Ұрықшықтың пайда болу механизмін келесідегідей елестетуге болады. Ерітінділенген зат молекулада өзара үздіксіз соқтығыса отырып , ассоциаттар қалыптастырады. Ассоциаттардың белгілі молекулалар санынан түзілу ықтималдығы молекулалар санының артуыменен шектеледі.Кристалдардың ерітінділенуі олардың өлшемдерінің кішіреюіменен артады. Өте кіші кристалдар тым қаныққан ерітіндіде ертітінділенеді. Соныменен әрбір тымқанығу үшін осы тымқанығуда тұрақтылықты және ертітіндімен тепе-теңдікте болуын қамтамасыз етуші кристалдың минимал өлшемі болады. Осы өлшеммен үлкен өлшемдегі кристалдар өседі де, ал кішісі ерітінділенеді. Мұндай өлшемдегі қалыптасқан ұрықшықтардың бетінде кристалданушы зат бөлініп шығады. Кристалдың өсуіндегі сызықтық өлшем, яғни кристалл өлшемінің өсу жылдамдығы кристалдану процесінің негізгі сипаттамасы болып табылады.Кристалдандыру процесінің кинематикасына көптеген факторлар әсер етеді, және де мұның ішіндегі негізгісі: тымқанығуы , температурасы,араластыру қарқындылығы.

Кристалдандырғыштар.

Өнеркәсіпте қолданылатын кристалдандырғыштарды үш топқа бөлуге болады: изогидрлік , вакуумдық, буландырушы. Аталған конструктивті ерекшеліктердің бірін қабылдауда көптеген факторларды ескеру қажет : өндірістің жалпы технологиялық сұлбасын, ерітіндінің физико-химиялық қасиетін және т.б.

Изогидрлік кристалдандырғыштарда ерітінділенуі температураның төмендеуіменен төмендейтін тұздарды кристалдандыруда қолданады.Бұл аппараттарда ерітінді еріткіштің тұрақты мөлшерінде қанығу температурасынан төмен температураға дейін суытылады. Суытудың нәтижесінде ерітінді тым қанығады да , кристалдандыру процесі жүре бастайды.

Изогидрлік кристалдандырғыштар мезгілді және үздіксіз әрекетте болып келеді.

1-қаңқа;2-араластырғыш; 3-суытушы жейдеше; 4-түсіру құрылғысы; 5-суыту сұйығын беруші келтеқұбыр.

1-сурет.Мезгілді әрекетті изогидрлік кристалдандырғыштар

Мезгілді әрекеттегі изогидрлік кристалдандырғыштар негізінен шағын тонажды өндірісте қолданылады. Аппарат араластырғышты , жейдешемен жабдықталған цилиндрлік ыдысты конструкция болып келеді. Аппараттан шыққан кристалдың суспензия сүзгіште немесе центрифугада бөлінеді (яғни кристалл аралық ерітіндіден) .

1-қаңқа;2-барабан;3-ерітіндіні беру келтеқұбыры;4- кристалдар суспензиясын шығару келтеқұбыры;5-бөгет;6-қалақшалы кристалдағыштар; I – ерітінді;II – суспензия;III – суытушы су.

2-сурет. Мезгілді әрекеттегі изогидрлік барабанды батырылмалы

типтегі кристалдандырғыш.

1-қаңқа;2-сорап;3- жылуалмастырғыш; 4- тұндырғыш; 5- ерітіндіні беру келтеқұбыры; 6- циркуляциялық құбыр; 7- орталық құбыр;8- кристалдар суспензиясын шығару келтеқұбыры; I – ерітінді,II – суспензия; III- аналық ерітінді.

3-сурет. Кристалдардың жалған сұйылу қабатындағы изогидрлік кристалдандырғыш.

Барабанды изогидрлік кристалдандырғышта (2-суретте) барабан толығымен ерітіндіге батырылған және қуыс денелі цапфада айналады. Цапфа арқылы суытушы су беріліп, әрекеттеседі. Аппараттың төменінде қалақшалы араластырғыш орнатылған және де ол кристалдық аппарат түбіне шөгіп кетуінен сақтайды.

Кристалдың жалған сұйылу қабатындағы изогидрлік кристалдандырғыш (3-суретте) бұл түрінде алынатын кристалдың өлшемін реттеуге болады. Ерітіндінің аппаратта ұдайы циркуляциялауда болып өсіп келе жатқан кристалдарда жалған сұйылу қабатында ұстайды.

1-қаңқа;2-төгілетін сақиналы науа;3-бастапқы ерітіндіні беру келтеқұбыры; 4-кристалды шығару құрылғысы; 6-классификацияланушы камера;6-камера қаңқасы; 7-конустық ендірме; I – ерітінді;II – аналық ерітінді;III – кристалдар.

4-сурет . Классификациялаушы кристалдандырғыштар.

Классификациялаушы кристалдандырғыштар белгілі шамадағы өлшемді біркелкі кристалл алу үшін тағайындалған. Аппарат жұмысы өлшемі бойынша кристалдарды гидроклассификациялау принципіне негізделген.

Вакуумдік кристалдандырғыштар ерітіндідегі еріткіштің бір мөлшері адиабаталық булану нәтижесінде суытылатын аппарат болып келеді. Бұл кезде ерітіндінің булануына ерітіндінің физикалық жануы жұмсалады және де бұл кезде ерітінді қалдық қысым шамасындағы қайнау температурасына дейін суытылады.

Буландырғыш кристалдандырғыштар ерітінділенуі температураның өзгеруіменен елеусіз өзгеретін тұздарды кристалдандыру үшін қолданады.

1-қаңқа;2,5,9 – циркуляциялық құбырлар;3-сепараторлар;4-бу шығару келтеқұбыры;6- тұндырыш;7- сорап; 8-ерітіндіні бер келтеқұбыры;10-аналық ерітінді келтеқұбыры; 11-кристалдар супензиясын шығару келтеқұбыры; 12-қыздыру камерасы; I – ерітінді;II – аналық ерітінді; III – тораптық бу;IV-конденсат.

5-сурет. Кристалдың жалған сұйылу қабатындағы вакуум – буландыру кристалдандырғыш.

Мұнда процесс ерітіндіне буландырудағы еріткіштің бір бөлігін бөліп әкетуменен жүреді. Буландыру аппаратының конструкциясына конструкциясы ұқсас келеді. Жалған сұйылу қабатындағы вакуум-буландыру кристалдандырғыштар 5-суретте келтірілген. Еріткішті буландыруға қажетті жану ерітіндісі қыздыру камерасы 12 арқылы беріледі.

Кристалдандырғышты есептеудің сұлбасы

Кристалдандырғыштардың конструкциясына жасалған шолулардан , бұл класс аппараттарын есептеудің біртұтас схемасын әзірлеудің мүмкіндігі жоқ деген ұйғарым айта алмаймыз. Өйткені барлық кристалдағыштарды екі принипиалды торқа бөледі: 1) процестің жүру барысы ұрықтың пайда болуы мен кристалдардың өсу уақыттарымен шектелген аппараттар; 2)Процесстің жүру уақыты жылуды беру және әкету уақытыменен шектелген аппараттар.

Бірінші топ аппараттарын келесі қатынас көмегімен есептейді:

V_p= V_τ * τ

Мұнда:τ-уақытта , кинетикалық өрнектер (14.15 14.18) көмегімен есептейді. Не мәнін тәжірибелік мәліметтер негізінде қабылдайды. Жылутұтынушы аппараттарды есептеудің жалпылама сұлбасы бойынша есептейміз, яғни берілетін немесе әкетуші жылу мөлшері бойынша жылуалмасу бетін анықтайды және де оған сай конструкцияны қабылдай отырып габариттік өлшемдерді анықтайды .

Фазааралық бет

Фазалар арасындағы зат алмасу молекулярлық және турбулентті диффузия жолыменен ағындардың тиімді гидродинамикалық тәртіпте күрделі механизіммен іске асырылады.

Массаалмасуда бір-біріне қатысты жылдамдықпенен қозғалады да, фазааралық бетпен ажыратылған . Массаалмасу алмасушы зат концентрациясының айырмасы теңескенге дейін жүреді.

Масса берілу процесі әрбір фазадағы турбулентті ағынның құрылысымен тығыз байланысты.Гидродинамикадан мәлім болғандай турбуленттік ағыс барысында фазааралық бет маңында ламинарлы ағыс қалыптасады. Сәйкесінше әрбір фазаға қатысты ағынның өзегі немесе негізгі массасы және фазалар шекарасында шекаралық қабат ұғымы қалыптастырылады. Ағындар өзегінде зат басым жағдайда турбуленттік бірте-бірте сөнеді және де бұл фазааралық бетке жақындаған сайын зат концентрациясының күрт өзгеруіменен байқалады. Осы бет маңында зат тасымалы күрт бәсеңдейді , себебі жылдамдығы молекулярлық диффузия жылдамдығыменен анықталады.

Концентрацияның бұлай өзгеру сипаты фазалар арасында үйкеліс күшінің және сұйық фазаның беттік керілу күшінің тежеуші әсеріменен түсіндіріледі.

Массаберілу процесін екі топқа бөлуге болады: бірінші топқа кем дегенде үш зат қатысатын процестерді жатқызуға болады,яғни қатысушы орталар екі әрекеттесуші фазаны құраса , үшіншісі олардың арасындағы таралған затты құрайды. Процеске қатысушы алғашқы 2 фазада таралған затта тасымалдаушы болып табылады да, өздері фазадан фазаға ауыспайды (өтпейді).

Екінші массаалмасу процестері тобына процеске қатысушы фазалар өзара алмаса отырып алмасу процесіне қатысатын таратылушы затта тасымалдаушы инерттік тасымалдаушы болып табылмайтын процестерді қатыстыруға болады.

Диффузиялық процестер үшін , жылудың тасымалдану процесіне ұқсастандыра отырып , тасымалдаушы зат мөлшрі фазааралық бет ауданына және процестің қозғаушы күшіне бара-бар деп қабыладайды,яғни алмасу барысында зат концентрациясы жоғары ортадан концентрациясы төмен(аз) ортаға тасымалданады.

Массаалмасу

Абсорбция –газды сұйықпен сіңіру , яғни заттың газ фазасынан сұйық фазаға өтуімен сипатталатын бөліп алу процесі.

Экстракция - сұйықты ерітінділенген затты басқа сұйықпен ажыратып алуға яғни іс жүзінде өзара араласатын немесе ... ...

Ректификация- гомогендік сұйық қоспаны сұйық пен газ фазалары арасындағы компоненттерін өзара алмастыра бөлу газ , бу және ерітінді компоненттерін кеуек сіңіргішпен сіңіру.

Адсорбция – газ, бу немесе ерітінді компоненттерінің қатты кеуек сіңіргішпен сіңіру.

Кептіру- қатты материалдан ылғалды буландыра бөліп әкету. Мұнда ылғал қатты фазадан газ немесе бу фазасына өтеді.

Кристалдау – ерітіндіден немесе басқа да қатты фазаны кристалл түрінде бөліп алу.Кристалдау заттың сұйық фазадан қатты фазаға ерітіндінің өзгеруі салдарынан өтуімен сипатталады.

Химиялық технологияда масса берілу процесі кең таралған және аса маңызға ие. Процесс бір фазадан (ортадан) екінші фазаға бір немесе бірнеше заттың өтуіменен сипатталады. Фазадан фазаға бір немесе бірнеше компоненттерді тасымалдау көмегіменен гетерогендік және де гомогендік жүйелерді бөлуге болады.

Масса берілу процессінің түрлеріне: абсорбция, адсорбция, экстракция, ректификация, кептіру, кристалдау.

Масса берілу процеін екі топқа бөлуге болады: 1-процеске кем дегенде 3 зат қатысатын процесті жатқызуға болады, яғни алғашқы екеуі әрекеттесуші фазаларды құраса ,ал үшіншісі фазалар арасындағы затты құрайды.Масса беру деп – бір фаза шегінде заттың фазааралық бетке немесе кері бағытта тасымалдануын түсінуге болады.

Әрбір фаза ішінде таралған зат диффузия көмегіменен тасымалданады, сондықтанда массаберілу процессін диффузиялық деп те атайды.

Онда диффузиялық процесс үшін , тасымалданушы зат мөлшері фазааралық бет ауданы мен қозғаушы күшке бара – бар деген ұйғарымды қолдануға болады.