Кіріспе

Сұйықтықты дистилляция арқылы бөлуге арналған жабдықтар. Фракциялық бағана – сұйық қоспаларды дистилляциялау кезінде олардың ұшпақтығының айырмашылығына сүйене отырып, қоспаны құрамдас бөліктерге немесе фракцияларға бөлу үшін қолданылатын жабдық. Фракциялық бағаналар кішкентай зертханалық дистилляцияларда да, ірі өнеркәсіптік дистилляцияларда да қолданылады.

Зертханалық фракциялау бағаналары

Зертханалық фракциялау бағанасы – құйылмалылығы жақын сұйық қоспалардың буланған қоспаларын бөлуге арналған шыныдан жасалған құрал. Көбінесе Vigreux бағанасы немесе шыны шарлар немесе Raschig сақиналары сияқты металл бөлшектермен толтырылған тік бағана қолданылады. Фракциялау бағаналары Раульт заңына сәйкес бу қоспасын салқындатуға, конденсациялауға және қайта булануға мүмкіндік жасап, қоспаны бөлуге көмектеседі. Әр конденсация-булану циклында булар белгілі бір компонентке қарай байиды. Үлкен беттік аудан көбірек циклдарға мүмкіндік береді, бұл бөлуді жақсартады. Vigreux бағанасының немесе толтырылған фракциялау бағанасының қағидасы осыған негіделген. Айналмалы дистилляция бағана ішінде айналатын жолақты пайдаланып, жоғары көтерілетін буларды және төмен түсетін конденсатті тығыз байланысқа мәжбүрлейді, тепе-теңдікке жылдам қол жеткізеді. Типик фракциялық дистилляцияда сұйық қоспа дистилляциялық колбада қыздырылады, ал пайда болған бу фракциялау бағанасымен жоғары көтеріледі (1-суретті қараңыз). Бу бағана ішіндегі шыны тіректерде (теориялық табақтар немесе пластиналар деп аталады) конденсацияланады және дистилляциялық колбаға қайта оралып, жоғары көтерілетін дистиллят буын рефлюкс етеді. Бағананың төменгі жағындағы табақ ең ыстық, ал жоғарғы жағындағы табақ ең салқын болады. Тұрақты күйде бу мен сұйықтық әр табақта тепе-теңдікке жетеді. Газ күйінде тек ең құйылмалы булар ғана жоғарыға дейін жетеді, онда олар конденсатор арқылы өтіп, бу сұйық дистиллятқа конденсацияланады. Бөлуді табақтардың санын арттыру арқылы жақсартуға болады (бірақ жылу, ағын және т.б. іс жүзінде шектеулер бар).

Өнеркәсіптік фракциялау бағаналары

Фракциялық дистилляция – химиялық инженерияның бірлік операцияларының бірі. Фракциялық колонналар химиялық процестерінде кеңінен қолданылады, мұнда үлкен көлемдегі сұйықтықтарды дистилдеу қажет. Мұндай салалар мұнай өңдеу, мұнайхимия өндірісі, табиғи газ өңдеу, көмір шайыры өңдеу, сыра қайнату, сұйытылған ауаны бөлу және көмірсутектерді өндіру болып табылады. Фракциялық дистилляция мұнай өңдеу зауыттарында ең көп қолданылады. Мұндай зауыттарда шикі мұнай күрделі, көп компонентті қоспа болып табылады, оны бөлу қажет. Таза химиялық қосылыстардың мөлшері күтілмейді, бірақ салыстырмалы түрде тар қайнау температурасы диапазонындағы қосылыстар тобының мөлшері күтіледі. Осы процесс фракциялық дистилляция немесе фракциялау атауының шығуына себеп болды. Дистилляция – ең көп таралған және энергияны көп қажет ететін бөлу процестерінің бірі. Бөлудің тиімділігі колоннаның биіктігі мен диаметріне, биіктік пен диаметр арақатынасына және дистилляциялық колоннаны құрайтын материалға байланысты. Химиялық зауытта ол жалпы энергия тұтынудың шамамен 40% құрайды. Өнеркәсіптік дистилляция әдетте диаметрі 65 сантиметрден 6 метрге дейін және биіктігі 6 метрден 60 метрге дейін немесе одан да көп болатын үлкен тік цилиндрлік колонналарда ("дистилляция мұнаралары" немесе "дистилляция колонналары") жүргізіледі (2-суретте көрсетілгендей). Өнеркәсіптік дистилляция мұнаралары әдетте тұрақты күйде жұмыс істейді. Желім, жылу, қоршаған орта температурасы немесе конденсация өзгермесе, қосылатын желім мөлшері әдетте алынып тасталатын өнім мөлшеріне тең болады. Қайта қазаннан және желіммен колоннаға кіретін жылу мөлшері жоғарыдағы конденсатормен және өнімдермен шығарылатын жылу мөлшеріне тең болуы керек. Дистилляция колоннасына кіретін жылу – маңызды жұмыс параметрі, колоннаға артық немесе жеткіліксіз жылу қосу көбіктің пайда болуына, сұйықтың ағуына, қосымша материалдың көтерілуіне немесе колоннаның толуына әкелуі мүмкін. 3-суретте ағынды бір дистиллят фракциясына және бір түптік фракцияға бөлетін өнеркәсіптік фракциялау колоннасы көрсетілген. Алайда, көптеген өнеркәсіптік фракциялау колонналарында колонна бойында аралық шығыстар бар, сондықтан әртүрлі қайнау диапазоны бар бірнеше өнімдерді көп компонентті желімді дистилдейтін колоннадан алуға болады. Ең төмен қайнау температурасы бар "жеңіл" өнімдер колоннаның жоғарғы жағынан, ал ең жоғары қайнау температурасы бар "ауыр" өнімдер төменгі жағынан шығады. Өнеркәсіптік фракциялау колонналары өнімдерді жақсы бөлу үшін сыртқы рефлюксті пайдаланады немесе Фенске теңдеуін қолдануға болады. Көп компонентті желім үшін жобалау, пайдалану және құрылыс үшін модельдеу пайдаланылады. "Бұлшық ет" қақпақтары немесе "табақтар" – өнеркәсіптік фракциялау колоннасының ішіндегі жоғары ағып жатқан бу мен төмен ағып жатқан сұйықтық арасында жақсы байланыс орнату үшін қолданылатын физикалық құрылғылардың бір түрі. Мұндай табақтар 4 және 5-суреттерде көрсетілген. Табақтың немесе пластинканың тиімділігі әдетте теориялық 100% тиімді тепе-теңдік сатысынан төмен. Сондықтан, фракциялау колоннасына теориялық бу-сұйық тепе-теңдік сатыларының қажетті санынан гөрі көбірек нақты физикалық табақтар қажет. Өнеркәсіптік қолданыста кейде колоннада табақшалардың орнына толтыру материалы қолданылады, әсіресе колоннада төмен қысымды түсіру қажет болған кезде, мысалы, вакууммен жұмыс істегенде. Бұл толтыру материалы кездейсоқ құйылған (кең) толтырулар, мысалы, Рашиг сақиналары немесе құрылымды металл табақтары болуы мүмкін. Сұйықтықтар толтырудың бетін ылғалдандырады, ал булар осы ылғалданған бет арқылы өтеді, онда масса алмасуы жүзеге асырылады. Әртүрлі пішінді толтырулардың әртүрлі беттік көлемі және толтырулар арасындағы бос кеңістік бар. Бұл факторлардың екеуі де толтырудың тиімділігіне әсер етеді.