2.3 Тәжірибелік сабақтар

№ 1 Тәжірибелік сабақ. Мұнай мен мұнаөнімдірінің физикохимиялық қасиеттерін және құрамын есептеу арқылы анықтау әдістері.

Тапсырмалар:

1. Компоненттік құрамы.

2. Мұнай фракцияларының орташа қайнау температурасы.

3. Тығыздық

4. Мұнай фракцияларының орташа қайнау температуралары

5. Сипаттамалық фактор (К)

6. Молекулалық масса

7. Қаныққан бу қысымы

8. Критикалық және келтірілген параметрлер

9. Сығылу (фактор) коэфициенті

10. Фугитивтілік (ұшқыштық)

Әдістемелік ұсыныстар

Мұнай мен мұнай фракциялары n компоненттерінен тұратын қоспа. Олай болса осы компоненттердің сандық және сапалық қасиеттері қоспаның қасиеттерін береді. Қоспадағы компоненттің концентрациясын массалық мольдік және көлемдік үлеспен немесе пайызбен өрнектеуге болады. Мұнайөндеуде әдетте сұйық қоспа құрамын сипаттайтын үлесті х әрпімен, ал газ немесе булы қоспаны сипаттайтын үлесті х әрпімен, ал газ немесе булы қоспаны сипаттайтын үлесті у әрпімен белгілейді.

Демек: Компоненттің массалық үлесі (х_i немесе у_і) дегеніміз оның массасына m қатынасы:

бұдан m_i = m ал х_i =1

Мысалы келесі мөлшерлерден тұратын үш майлы фракциялар араластырылды: m₁=81 кг; m₂=135 кг; m₃=54 кг. Осы қоспадағы әр фракцияның үлесі қандай?

Шешуі: Қоспаның жалпы массасын табамыз:

m= m₁+ m₂+ m₃=81+135+54=250кг

Олай болса әр фракция үлесі:

Тексереміз  х_i = 0,3+0,5+0,2 =1

Компоненттің мольдік үлесі (х_i немесе у_і) дегеніміз осы компоненттің моль санының Ni қоспаның жалпы моль санына N қатынасы:

бұдан N` = 1, ал X`_I = 1.

Қоспаның массалық құрамын біле отрып, оның мольдік құрамын анықтауға немесе керісінше мольдік құрамы арқылы массалық құрамын есептеуге болады.

Ол үшін келесі формулалар пайдаланылады:

бұнда М_і – компоненттің молярляқ массасы, кг/кмоль.

Алдыңғы мысалдағы анықталған фракциялардың массалық үлестерін молярлық үлеске айналдырыңдар, егер компоненттердің молярлық массалары келесідей: М₁=320кг/кмоль; М₂=360кг/кмоль; М₃=330кг/кмоль№

Шешілуі: алдымен фракциялардың массалық үлестерінің олардың молярлық массаларына қатынастарының қосындысын табамыз:

1)

(5)

2) әр компоненттің мольдік үлесін есептейміз:

(6)

(7)

Тексереміз 0,33+0,49+0,18=1

Компоненттің көлемдік үлесі x_Vi (y_Vi)дегеніміз оның көлемнің v_i қоспаның жалпы көлеміне V қатынасы:

Көлемдік үлесті массалыққа немесе керсінше айналдыру үшін әр компоненттің тығыздығын білу қажет, сонда

(8)

Сұйық қоспа үшін көлемдік үлесті тікелей мольдәк үлеске айналдыру күрделі, сондықтан оны массалық үлеске айналдыру арқылы сипаттайды.

Мысалы 95м³ пропан мен 23м³ этаннан тұратын газ қоспасының құрамын көлемдік және массалық үлеспен табу керек: S_этан=1,3560кг/м³

S_пр=2,0037кг/м³

Шешуі: газ қоспасының жалпы көлемі V=95+23=118м³

пропанның көлемдік үлесі

этанның көлемдік үлесі

Сонда бұл компоненттердің массалық үлестері:

(9)

(10)

2. Біз білеміз мұнай мен мұнай фракциялары әр түрлі көмірсутектердің күрделі қоспасы болып табылатынын, сондықтан олар бір белгілі тұрақты температурада емес, белгілі температуралық аралықта қайнайды. Олай болса технологиялық есептеулерде олардың орташа қайнау температуралары пайдаланылады.

3. Тығыздық дегеніміз мұнай мен мұнайөнімдерінің химиялық және фракциялық құрамын басқа компоненттер жинағында шамалап болса да бағалауға мүмкіндік беретін маңызды сипаттама болып табылады.

Абсолютті тығыздық дегеніміз көлем бірлігіндегі зат массасы. СИ жүйесінде абсолютті тығыздық кг/м³ өлшенеді.

Мұнайөңдеуде мұнайөнімдерінің физико-химиялық қасиетін есептегенде салыстырмалы тығыздықтың өлшемсіз шамасын қолдану қабылданған, ол 20°С мұнай өнімінің тығыздығының 4°С су тығыздығына қатынасына тең әрі мынадай белгіленеді - ₄²⁰. Бірқатар елдерде стандартты деп мұнайөнімі мен судың бірдей температурасы қабылданған, ол 60°F тең, әрі 15,5°С сай келеді, салыстрмалы тығыздық ₁₅¹⁵ белгіленеді.

₄²⁰ мен ₁₅¹⁵ мәндерін өлзара қайта есептеу мынадай болып жүргізіледі

₁₅¹⁵=₄²⁰+5, (1)

мұндағы - температура 1° өзгергендегі тығыздық өзгеруіне түзету. ( мәні анықтамалықта келтіріледі)

Мұнайөнімдері мен мұнайдың тығыздығы температура жоғарлаған сайын төмендейді. Бұл тәуелділік сызықты сипатта болады және Менделеев формуласымен өрнектеледі:

₄^t=₄²⁰- (t-20) (2);

₄^t-берілген температурадағы t мұнайөнімінің салыстырмалы тығыздығы.

Менделеев теңдеуі мына температуралық аралық үшін нақты 0°С ден 150°С (қателігі 5-8% құрайды).

Біршама үлкен температуралық аралықта яғни 300°С дейін тығыздықтың температурадан тәуелділігі Мановян теңдеуі бойынша есептеледі:

Сұйық мұнайөнімдерінің тығыздығының температурадан графиктік тәуелділігі әртүрлі анықтамалықтарда келтірілген.

Тығыздық аддитивті қасиет болып табылады, сондықтан әртүрлі мұнайөнімдері араласқан кезде қоспа тығыздығы оңай анықталады. Реагент үшін қоспа құрамын суреттеу тәсіліне тәуелді келесі теңдеулер қолданылады:

Компонентердің берілген массасы бойынша:

массалық үлесі бойынша:

Көлемдік үлесі бойынша:

Сұйықтар сияқты газдың тығыздығы да абсолютті немесе салыстырмалы мәнге ие.

Газ немесе будың ауамен салыстырғандағы салыстырмалы тығыздығы мынаған тең:

(7)

М-газдың молярлық массасы,

28,9 – ауаның молекулалаық массасы

Газ немесе будың қалыпты жағдайдағы абсолютті тығыздығын 1 кмоль (22,4м³) газдың көлемі мен массасын (М) біле отырып табуға:

(8)

Абсолюттік температура Т(К) мен қысымда Р(0,1МПа) газ тығыздығы (кг/м³) мына формула бойынша табылады:

(9)

немесе

(10)

4. Мұнай мен оның фракциялары әртүрлі көмірсутектердің күрделі қоспасы болғандықтан, олар нақты бір температурада қайнамайды, яғни бірқатар температуралық аралықта қайнайды. Осыған байланысты есептеулерде орташа қайнау температурасы деген түсінік бар. Оның бірнеше модификациясы бар, бірақ орташа-молекулалық қайнау температурасы біршама жиі қолданылады (Т_{орт.мол}, К). Шамамен орташа температурасын фракцияның 50%-ды айдалу температурасы ретінде шынайы қайнау температурасының қисығы бойынша (ШҚТ) (МЕСТ бойынша) немесе бастапқы және соңғы қайнау температурасының арифметикалық орташасы ретінде анықтауға болады.

5. Мұнайөнімдерінің химиялық табиғаты туралы сипаттама беретін және тығыздық функциясын көрсететін параметрлердің бірі сипаттамалық фактор болып табылады ол мына формуламен анықталады:

(11)

6. Мұнайөнімдерінің молекулалық массасы бутүзілу жылуын, бу көлемін, парциалдық қысым мен өзге де сипаттамаларды есептегенде кең қолданылады. Мұнай фракциялары мен мұнайөнімдері үшін «молекулалық масса» дегеніміз оның орташа мәні, ол эксперименттік және эмпирикалық тәуелділіктер бойынша есептеледі. Мұнай фракцияларының қайнау температуралары мен молекулалық масса арасында белгілі бір тәуелділіктер бар: молекулалық масса > болған сайын, оның қайнау Т_қайн жоғары болады. Осы тәуелділікті ескеріп, Б.П. Воинов келесі формуланы ұсынды: М=a+bt+ct²; а, b, c – тұрақтылар, оның мәні әр топ көмірсутектері үшін әртүрлі; t – өнімнің орташа молекулалық қайнау температурасы, °С.

Парафинді көмірсутектер үшін Воинов формуласы мына түрге енеді:

М=30+0,3t+0,001t² (12)

Сипаттамалық факторды енгізгенде бұл формула мынадай болады:

М=(7К-21,5)+(0,76-0,04К)· t_ср.мол.+(0,0003К-0,00245) t²_ср.мол. (13)

Осы формуланы 350°С дейінгі қайнайтын фракцияның молекулалық массасын анықтау үшін қолдануға болады.

Молекулалық масса мен мұнай фракциясының салыстырмалы тығыздығы арасындағы қатынасты Крэг формуласымен орнатады:

(14)

Реакторлар, ректификациялық бағанның өлшемдерін анықтағанда сұйық мұнайөнімдері немесе олардың буларының мольдік көлемін білу керек. Сұйықтардың мольдік көлемін V(м³) мына формуламен есептейді:

(15)

мұндағы m – сұйықтардың массасы, кг

М – молекулалық массасы

 - сұйық тығыздығы, кг/м³

Булардың көлемін Клайперон теңдеуінен табуға болады:

(16)

мұндағы m – бу массасы, кг;

М – молярлық масса;

Р – жүйедегі қысым, МПа;

t – жүйедегі температура, °С.

Есеп: каталитикалық риформинг шикізаты ретінде ксилолдар алуға тығыздығы ₄²⁰ – 0,7513 тар бензин фракциялары 120-140°С қолданылады. Шикізаттағы (молярлық көлемдегі) 5-градусты фракциялар құрамы:

120-150°С – 0,20

125-130°С – 0,24

130-135°С – 0,30

135-140°С – 0,26

Бензинді фракциялардың орташа молекулалық массасын табу (кг/кмоль).

Мәні =0,000831 (қайта санау үшін ₄²⁰ ны ₁₅¹⁵).

7. Қаныққан бу қысымы – бұл белгілі бір температурада сұйықпен тепе теңдікте болатын бу фазасынан туындаған қысым. Таза заттың қаныққан бу қысымы тек емпературадан тәуелді болады. Мұнайөнімі мен мұнайфракциялары үшін қаныққан бу қысымы тек температурадан ғана тәуелді емес ол бу қысымы мен сұйық фаза құрамы мен олардығң қатынасынана тәуелді болады. Төмен қысымдағы тар мұнай фракцияларының қаныққан бу қысымын есептеу үшін Ашворта формуласы қолданылады:

(1)

мұндағы Р – қаныққан бу қысымы, МПа;

Т – сәйкесті температура, К;

Т₀ – орташа қайнау температурасы, К.

f(T) мен f(T₀) температураларының функциясы мына теңдеумен суреттеледі:

(2)

(3)

В.П. Антонченков нақтылаған Ашворта формуласының түрі мынадай:

lg(p)=A[1-(T₀lgT₀/TlgT)lgB], (4)

мұндағы А=2,9+0,0125Т₀-0,058М+0,0000482Т₀М;

В=10+0,5·10^-6/Т₀+ТМ²; (5)

М – мұнайөнімінің молекулалық массасы, яғни осы формулада қаныққан бу қысымы Т мен Т₀ функциясы болып қана қоймай, фракцияның молекулалық массасы болады. Қаныққан бу қысымын бір температурадан екінші температураға қайта есептеу үшін номограммалар қолданады. Біршама кең таралған Кокс (график) номограммасы болып табылады.

Рауль және Дальтон заңына бағынатын ерітінділер мен қоспалар үшін, қаныққан будың жалпы қысымы (Р⁰_см) мына формуламен есептеледі:

Р⁰_см=Р_{i ,}

мұндағы Р_i – берілген температурадағы қоспа компоненттерінің парциалды қысымы.

Р_i= Р⁰_i·x_I,

мұндағы Р⁰_i – қоспа компоненттерінің қаныққан бу қысымы; x_i – қоспа компоненттерінің мольдік үлесі.

Жоғары қысым аумағында шынайы газдар Рауль мен Дальтон заңына бағынбайды. Мұндай жағдайларда есептік және графиктік әдістермен табылған қаныққан бу қысымы критикалық параметрлермен, сығылу факторларымен, фугитивтілікпен нақтыланады.

8. Заттың критикалық жағдайы дегеніміз оның бу және сулы фазасы арасындағы шекара жоғалып кетеді, яғни олардың негізгі қасиеттері бірдей болады. Әр зат үшін қандай да бір қысымды жоғарлатқанда сұйыққа өтпейтін температура болады. Бұл температура критикалық температура Ткр деп аталады. Критикалық температураға сай келетін қаныққан бу қысымы критикалық қысым Ркр деп аталады. Критикалық температура мен қысымдағы бу көлемі критикалық көлем V_кр деп аталады. Критикалық параметрлер эмпирикалық формула бойынша анықталады:

Т_кр=355+0,97а-0,00049а² (6)

Келесідей есептеледі:

а = (1,8 Т_ср.мол.-359)₁₅¹⁵

(7)

t₇₀, t₁₀ –70 және 10% мұнайөнімінің айдалу температурасы

Орташа қайнау температурасы мен тығыздық шамасы белгілі болғанда мұнай фракциялары үшін критикалық температура мен қысымды графиктік жолмен табуға болады. Үлкен көмірсутектер санынан тұратын мұнай фракциялары үшін критикалық параметрлерді псевдокритикалық яғни орташаланған параметрлер деп атайды.

Т_п.кр және Р_п.кр фракцияның молекулалық массасы мен сипаттамалық факторлар тәуелділігінен график бойынша табады.

Қолайлы салыстыратын жағдайда болатын заттар үшін Т-Р-V күйі, келтірілген деп аталады. Келтірілген параметрлер мына формуламен анықталады:

Т_пр = Т/Т_кр;

Р_пр = Р/Р_пр

V_пр = V/V_пр

Т_пр, Р_пр, V_пр мәндерін сығылу факторы, энтальпия және т.б. үшін технологиялық есептеулерде жиі қолданады.

9. Жоғары қысымдағы және жоғары температурадағы мұнайөнімдері мен олардың буы шынайы күйінен ауытқиды, сондықтан есептеуші формулаларға түзетуші коэфициентін енгізеді.

Егер Ван-дер-Ваальстың негізгі теңдеуіне z коэфициент енгізеді, ол сығылу коэффициенті деп аталады, сонда газ күйінің теңдеуі мына түрде болады:

PV = zRT,

мұндағы z –сығылу коэффициент, ол газ табиғатынан, t, p тәуелді (мұнай буы)

z эксперименталды немесе график көмегімен табылады. Қысым (Р_пр) мен температура (Т_пр) келтірілген мәнін біліп, z график бойынша табуға болады. Шынайы газдар үшін z=1. мұнай булары мен газды қоспалар үшін 7.3 мен 7.4 формуладағы критикалық параметрлер орнына (Р_кр және Р_кр) псевдокритикалық параметрлер мәнін қоюға болады (Т_п.кр және Р_п.кр). Псевдокритикалық параметрлер газтәрізді жеке көмірсутектердің қоспасы үшін, аддитивтілік ережесі бойынша формуламен анықтайды:

Т_п.кр = уi·Ткр_i;

Рп.кр=у_i·Tкр_i;

Pп.кр=у_i·Ркр_i (8)

у_i – компоненттердің мольдік үлесі.

10.Фугитивтілік (ұшқыштық). Химиялық таза сұйықтың ұшқыштығы сұйық фазамен тепе теңдік жағдайында оның буының қысымымен өлшенеді.

Рауль және Дальтон заңы бойынша тепе теңдік жағдайында бу және сұйық фазасындағы компоненттің парциалды қысымы өзара тең болады:

(1)

Осыдан келіп

(2)

Р – жүйедегі жалпы қысым; Р°_i – жүйе температурасындағы таза компоненттің қаныққан бу қысымы; у_i мен х_i - бу мен сұйықтағы сәйкесті компоненттің мольдік концентрациясы; k – фазалық тепе теңдік const.

Шынайы газдар мен булар Дальтон мен Рауль заңына бағынбайды әрі жоғары қысым жағдайында сәйкесті түзетулер енгізуді талап етеді. Дегенмен (1) теңдеу сақталады, егер Р мен Р°i орнына мына мәндерді f^ж және f^п енгізсе яғни бу мен сұйықтың фугитивтілігі, сонда (1) мына түрге келеді

f^п · у_i = f^ж ·х_i; а k= f^ж/ f^п; (3)

Фугитивтілік қысым сияқты сол бірлікте өлшенеді. Фугитивтіліктің қысымға қатысы активтілік коэфициенті деп аталады.

Идеалды газ үшін  =1

(4)

осыдан f = · Р (5)

Р – жүйедегі немесе қаныққан бу қысымы

 енгізілген температура мен қысымдағы функция болып табылады. Сондықтан  графиктік анықтауға болады.

Мысалы:

115°С және 1,2МПа қ-пентан үшін фазалық тепе теңдіктің константасын (k) есептеу. Оның критикалық параметрлері:

t_кр = 197,2°С, Р_кр = 3,34МПа.

Шешуі: ол үшін қысым мен келтірілген температура мәнін тауып,  - активтілік коэфициентін табамыз:

(6)

(7)

График бойынша  = 0,76 f^п = 0,76 ·1,2 = 0,91Мпа

Сұйық фаза сол температурада болады, бірақ Кокс графигі Р⁰_{пентана} = 0,8МПа арқылы анықтауға болатын сәйкесті қаныққан бу қысымы Р⁰ тұрады. Бұл жағдайдағы келтірілген қысым:

(8)

Т_пр = 0,82 мен Р_пр = 0,24 мәні үшін график бойынша активтілік коэфициентін табамыз =0,81, тогда f^ж = 0,810,8 = 0,65МПа 

(9)

Негізгі әдебиет 7 [15-21]

Қосымша әдебиет 4 [3-15]

Бақылау сұрақтары:

1. Мұнай фракцияларының компоненттік құрамы, орташа қайнау температурасы, тығыздығы, сипаттамалық фактор (К), молекулалық массасы, қаныққан бу қысымы туралы теориялық мәліметтерді біліп, есептер шығару жолын көрсет.

2. Критикалық және келтірілген параметрлер.

3. Сығылу (фактор) коэфициенті.

№ 2 Тәжірибелік сабақ. Мұнай мен мұнайөнімдерінің жылулық қасиеттері

Тапсырмалар:

1. Жылусыйымдылық

2. Бутүзілу жылуы

3. Энтальпия

4. Жану жылуы

Әдістемелік ұсыныстар

Жылулық қасиеттерге жылусыйымдылық, жылулық бутүзілуі (булану) энтальпия, Жану жылуы және т.б.

1. Жылусыйымдылық, С –1 градуста зат массасы бірлігін қыздыруға арналған жылу мөлшері. Суреттеу тәсілінен тәуелді зат құрамын массалық [кДж/(кг·К)], молярлық [кДж/(кмоль·К)], көлемдік [кДж/(м³·К)] деп бөледі.

Практикада көбнесе меншікті жылусыйымдылығын қолданады, оның өлшем бірлігі СИ жүйесінде Дж/(кг·К).

Қыздыру температурасы жоғарлаған сайын сұйық мұнайөнімдерінің жылусыйымдылығы өседі, сондықтан мұнайөңдеуде шынайы және орташа жылусыйымдылығы қабылданған.

Шынайы меншікті жылусыйымдылығын есептеу үшін [кДж/(кг·К)] Крэг формуласы кең қолданылады:

(1)

Т-температура, жылусыйымдылығы анықталған, К.

Мұнайөнімінің химиялық құрамын ескеретін біршама дәл формула Ватсон мен Нельсондікі:

(2)

К – сипаттамалық фактор,

Т-температура, жылусыйымдылығы анықталған, К.

Мұнайөнімінің буының жылусыйымдылығын Бальке мен Кэй (кДж/(кг·К)) теңдеуі бойынша есептеуге болады :

(3)

Тұрақты температурада анықталатын газдар үшін жылусыйымдылық дегеніміз (изобарлық жылусыйымдылық) С_р ментұрақты көлемде (изохорлы жылусыйымдылық) С_v.

Шынайы газдар үшін С_р көп болады С_v, яғни

С_р – С_v = R (4)

R- газды тұрақтылық, 8,315 кДж/(кг·К) тең.

Шынайы газдардың жылусыйымдылығы мына формуламен есептеледі:

С_р = С_рº - С_р (5)

Ср°- шынайы газға есептегендегі изобарлы жылусыйымдылық, кДж/(кг·К)

С_р – қысымға жылусыйымдылықтың түзетуі,

С_р – формула бойынша есептеледі:

С_рº мен С_р¹- келтірілген қысым мен температурадан тәуелді график бойынша анықталған түзетулер;

 - ацентриялық факторы, оны мына формуламен анықтауға болады:

 = 0,1745+0,0838 Т_пр;

Т_пр – келтірілген температура.

2. Химиялық таза заттар үшін бутүзілу жылуы дегеніміз (булану) жылу мөлшері, қаныққан мерзімге өткендегі сұйықпен сіңірілген, кДж/кг суреттеледі.

Мұнайөнімінің булану жылуын мына Трутон формуласымен есептеуге болады (кДж/кг):

(1)

К- пропорционалдық коэфициенті

Т- мұнайөнімінің қайнау температурасы, К

М- молекулалық масса

Көптеген көмірсутектер мен олардың қоспасы үшін атмосфералық қысымда К=83,7-91,2

К біршама дәл мәнін мына формуламен табуға болады:

К=36,63+19,13 ед Т (7)

Т- мұнайөнімінің қайнау температурасы, К.

Еще l теңдеуді сұйық және бу фазасының энтальпиясы айырмашылығы бойынша есептеуге болады, ол біркелкі температура мен қысымда алынған:

l =J_t^п - J_t^ж J,кДж/кг (2)

3. Сұйық мұнай фракцияларының меншікті энтальпиясы (J_t^ж) кДж/кг жылу мөлшерін көрсетеді, онда 1кг (1кмоль) сұйықты қыздыруға қажетті яғни Оº С (273К) берілген температураға дейін. J_t^ж мына формуламен табады:

(3)

Т- сұйық температурасы

а деп белгілейміз, оның емпературадан тәуелділік мәні анықтамалық кестеде келтірілген.

Бу энтальпиясы (J_t^п) жылу мөлшері шамасына сұйық энтальпиясы көп, сұйық булануы мен Буды қыздыруға жұмсалған. J_t^п мына формуламен анықтайды:

J^п_t = (129,58 + 0,136Т + 0,00059Т²)(4 - ¹⁵₁₅) – 309 (4)

Т- бу температурасы

Оны қысқартуға болады, в деп белгілеп, в мәнін қосымшадан табуға болады.

Мұнайөнімі буының энтальпиясы қысым жоғарлаған сайын төмендейді. Мұнай буының энтальпиясын анықтау үшін жоғары қысымда алдымен атмосфералық қысымда энтальпиясын табады және одан жоғары қысымдағы түзетуін есептейді (J):

J_р^п = J_t^п - J (5)

J – келтірілген қысым мен температурадағы функциясы болып табылады және график бойынша анықталады.

J·М/Т_кр=f (Т_пр,Р_пр) (6)

1 есеп. Тығыздығы P₄²⁰ – 0,750 мен молекулалық массасы – 100 болатын 400º С және 4,0 МПа, бензин буының энтальпиясын анықта, егер t_кр=270º С және Р_кр=3,4МПа болса.

4. Жану жылуы (Q – отынның Жану бөлу қабілеті) – қалыпты жағдайда 1 кг сұйық (қатты) немесе 1м³ газтәрізді отын толық жанғандағы бөлінетін жылу мөлшері.

СИ жүйесінде жану жылуын өлшейді кДж/кг; кДж/моль; кДж/ м³.

Мұнайөнімдерінің жоғарғы және төменгі жану жылуын бөліп қарайды. Алдыңғысы түтіндік газдарды суытқанда бөлінетін жылуды сонымен қатар жанғанда түзілетін жылу конденсациясын, су буын ескереді. Екіншісі ондай емес, яғни төменгі жану жылуы жоғарғы көрсетілген жылу шамасынан төмен болады.

Практикада жылу өнімі көбнесе су буының конденсациясы температурасына дейін суытылмайды, сондықтан есептерде отынның жұмысшы құрамына саналған төменгі жану жылуын Q_р^н қолданады.

Судың жылу конденсациясы ~ 2500 кДж/кг тең болғандықтан, ал Жану өніміндегі су мөлшері сутек жанғанда түзілгшен (2Н₂+О₂=2Н₂О, яғни 1кг сутек жанғандағы 9 кг су түзіледі) су мен отын (w) ылғалдығынан шығады, онда Q_р^н = Q^в- 2500 (9Н+W);

Q^в - жоғарғы т.с, кДж/кг

Н – отындағы сутек құрамы, масс. үлес

W – отындағы су құрамы, масс. үлес.

Отынның т.с. есептеу үшін Менделеев формуласы қолданылады:

Q^в = 33915С + 125600Н + 10880 (S-0) (7)

және Q_р^н = 33915С + 125600Н + 10880(S-0) - 2500(9Н+W) (8)

С, Н, S, О – отындағы сутектің, көміртектің, күкірттің және оттектің сәйкесті қосылыстары, массалық үлесі.

33915, 125600, 10880 – т.с сәйкесті С, Н және S кДж/кг

Жанғыш газдар қоспасының т.с. аддитивтілік ережесі бойынша анықталады:

(9)

Отынның қалыпты жануын ұстап тұру үшін ауа немесе оттек керек. Оттек немесе ауаның теориялық көлемі анықтамалық әдебиеттерден алуға болады V_T

Өнеркәсіптік жағдайда көбінше ауа қолданылады, оның шынайы мөлшері теориялықтан біршама көбірек алынады, яғни жану толықтығын қамтамасыз ету үшін. Ауаның шынайы көлемінің V_р теориялыққан қатынасын ауаның артық коэфициенті деп атайды α = V_р/V_Т.

Газтәрізді отын үшін α =1,05 – 1,20.

2 есеп. Газтәрізді отын жануы үшін (көлем құрамы: 95% CH₄ и 5% C₂H₆) мына мөлшердегі ауа беріледі 1м³ газ үшін 10,58 м³. Ауа коэффициенін табу.

Негізгі әдебиет 7 [22-28]

Қосымша әдебиет 4 [16-21]

Бақылау сұрақтары:

1. Мұнай мен мұнайөнімдерінің жылулық қасиеттерінің теориялық мәліметтері мен есептелу жолдары.

2. Жылусыйымдылық, зат массасы бірлігін қыздыруға арналған жылу мөлшері.

3. Мұнайөнімінің булану жылуы.

4. Сұйық мұнай фракцияларының меншікті энтальпиясы.

5. Жану жылуы.

№ 3 Тәжірибелік сабақ. Көмірсутекті шикізаттың біріншілік өңдеу қондырғысының ректификациялық бағанын есептеу

Тапсырмалар:

1. ИТК, ОИ тұрғызу

2.Ректификациялық бағанның температуралық режимі

3. Бағанның жоғарғы жағының температурасы

4. Бүйірлік ағынның шығу температурасы.

5. Бағанның төменгі жағы температурасы

6. Бағанға түсетін шикізат температурасы.

7. Ректификациялық бағанның материалдық баланс.

8. Ректификациялық бағанның жылулық балансы.

Әдістемелік ұсыныстар

Ректификациялық бағанның технологиялық режимі жоғарғы және бүйірлік дистилляттар мен қалдықтар шығуы, шикізат берілу орындарында температурамен анықталады. Ағындар температурасын ілеспелі жақындау жолымен келесі теңдіктер орындалмайынша есептеледі:

Сұйық ағындар үшін:

k_i · х_i = 1 (1)

Булы ағындар үшін:

Және отгонның берілген молярлы үлесімен сұйық булы ағындар үшін е:

мұндағы х_oi – шикізаттағы бастапқы компоненттің молярлық үлесі.

Дегенмен температура анық түрде 1.3 теңдеуге кірмесе оны өзгерту фазалық теңдік тұрақтысына әсер етеді k_i, нақтырақ Р_i компоненттердің қаныққан бу қысымына

(4)

Температурадан отгон үлесі де тәуелді е.

2. Бағанның бас жағынан кететін бу фракцияларының температурасы, ось фракцияның ОИ соңғы температурасы ретінде анықтайды (100% отгон). Күрделі қоспаның ОИ соңғы температурасы тепе теңдікті қанағаттандыратын мәнге ие болуы керек (2). Баған бас жағының температурасын есептегенде, су буымен жұмыс жасайтын (өткір орошения қолданғанда) орошения мен су буын ескеруге болады. Су буының қатысында көмірсутек қоспаларының парциалдық қысымы анықталады:

(5)

у′ - көмірсутекті будың мольдік үлесі,

N_ув.п, N_в.п – көмірсутекті және су буы, кмоль.

(6)

Мысалы. Бензинді екіншілік өңдеу бағанына 120-180˚С бензиндік фракция беріледі. Бағанның бас жағынан 120-140˚С фракция, төмен жағынан у′ = 0,95 бағанның жоғарғы жағынан кететін, будағы қайнауы төмен компоненттің мольдік үлесі 140-180˚С. Баған басындағы температураны анықтау, қысымды атмосфералыққа тең деп қабылдап.

Шешуі: екікомпонентті жүйелер үшін есептеу жүргіземіз және (2) теңдеуді қолданамыз, сонда (2) мына түрде жазамыз:

(7)

у′₁ = 0,95  у′₂ үлесі

k₁ мен k₂ табу үшін алдымен компоненттердің қаныққан бу қысымын анықтайды. Ол үшін Ашворта формуласын қолданамыз, компоненттердің Т_қайн ретінде фракцияның бастапқы және соңғы қайнау фракцияларының орташа арифметикасы болады. Бағанның жоғарғы температурасы ретінде фракцияның орташа қайнау температурасы қабылданады, бағанның жоғарғы жағынан кететін 132 ˚С.

Кестеге есептеулерді енгіземіз:

Фракция, ˚С	Ткип, ˚С	Бағанның бас жағы Т, ˚С	у′i	Pi, кПа (Ашворт)	ki =	уi/ ki
120-140	130	132	0,95	105,9	1,05	0,90
140-180	160	132	0,05	48,8	0,48	0,10
						∑ = 1,00

Тексеру көрсеткендей, температура 132˚С шартты қанағаттандырады, онда теңдік сақталады (2). Осылайша, температура дұрыс таңдалды. Егер теңдік сақталмаса (2), онда одан ары температура таңдаймыз.

3. Бүйірлік дистилляттың шығу температурасын шығарылатын фракцияның буының парциалды қысымы мен отгонның нольдік үлесінде ОИ бастапқы температурасы ретінде анықтауға болады. Т начала күрделі қоспаның ОИ бастапқы Т мына теңдікті қанағаандыратын мәнге ие болу керек (1). Су буымен жұмыс жасайтын бағандағы фракцияның парицалды қысымын санағанда су буының (G_вп), бу орошениясының (G_ор) шығарылатын фракция құрамын, жоғарғы өнім буының (Д) әсерін ескеру керек:

(8)

Мысалы. Молярлық массасы М=210кг/кмоль дизелдік фракция (240-350 ˚С) бүйірлік ағын ретінде мына мөлшерде шығарылады G=25600кг/ч. Отбор ағысындағы қысым 0,17мПа құрайды. Отбор табақшасы арқылы 2800кг/ч су буы өтеді, 8970кг/ч бензин буы (М-115кг/кмоль) және 18310кг/ч реактор отынның буы (М-158кг/моль). Дизельді отынның шығару температурасын анықтау.

Шешімі. Дизельдік фракция шығу температурасын ОИ бастапқы нұктесі ретінде табамыз. Осы фракцияның ИТК қисығынан тұрғызылған ОИ сызығы табылды, ОИ бойынша 0%-ды отгон 275˚С температураға сай келеді. Отбор табақшасында тұрған және басқа компоненттер табылған температурасы, мына формуламен анықталатын шығарылатын фракцияның парциалды қысымын реттеуге қажет:

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

сонда

(14)

Кокс графигі бойынша температураны табамыз, ол дизельді фракция парциалды қысымына сай келеді. Ол = 246˚С. Осылайша, берілген шарттағы дизельдік фракция бағаннан мына температурада 246 ˚С шығарылуы керек.

4. Бұл температураны мына теңдеуді қолданып есептейді. Мысалы. Газды бензиннің тұрақтандыру қондырғысының пропанды бағанының төменгі өнімі (молярлықүлесте): пропан – 0,04

изо-бутан – 0,21

н-бутан – 0,62

пентандар – 0,13

Бағанның төменгі бөлігіндегі қысым 1,5МПа.

Шешімі. Практикалық мәліметтен шығатыны, температура береміз 106˚С. Әр компонент үшін

(1)

(P_i) компоненттердің қаныққан бу қысымын Ашворта формуласы мен Кокс графигі бойынша анықтаймыз. Есептеулерді кестеге енгіземіз:

Компонент	Х′i	Pi, МПа	Ki	Х′i· Ki
Пропан	0,04	4,30	2,87	0,11
изо-бутан	0,21	1,75 (Ашворт)	1,17	0,25
н-бутан	0,62	1,41	0,94	0,58
пентандар	0,13	0,65	0,43	0,06 ∑=1Т дұрыс таңдалған әрі мынаған тең 106˚С

5. Көбінше шикізат бағанаға булысұйық күйінде түседі. Осы жағдайда температураны отгонның берілген үлесі немесе мына теңдік (3) орындалатындай берілген температура бойынша таңдайды. Қажет болса сұйық (Х′_i) және бу фазалы (У′_i) құрамын мына теңдеу бойынша есептейді:

(1)

(2)

Отгонның молярлық үлесін е′ массалыққа мына формула бойынша есептеп жүзеге асырады:

(3)

Му – бу фазасының молярлық массасы, кг/кмоль

Мо – бастапқы шикізаттың молярлық массасы, кг/кмоль

Мына теңдеулер көмегімен (4) және (5) шикізат отгоны үлесі, қысымы, температурасы белгілі болғанда бірреттік булануда сұйық пен будың кез келген компонентінің концентрациясын анықтауға болады.

Мысалы. Температурасы 330˚С және Р- 170кПа болғанда бағанға берілетін мұнай отгонының үлесін анықта. Мұнай құрамы мен фракцияның орташа қайнау температурасы берілген. Әр фракцияның бу қысымы Ашворта формуласы бойынша анықталып, отгонның молярлық үлесін береміз е′ = 0,75 ол алғашқы екі фракцияның молярлық үлесі қосындысына жақын, 350˚С дейін қайнайтын.

Фракция, ˚С	Х′oi	tcp, ˚С	Pi, кПа	ki	kiХ′oi/1+е′( ki -1)
н.к – 180	0,47	115	3090	18,18	0,60
180-350	0,31	270	310	1,82	0,35
350-450	0,11	400	23	0,13	0,04
450-510	0,06	480	5,5	0,03	0,01
>510	0,04	-	0	-	-

Мұнай отгонының ∑=1 молярлық үлесі берілген жағдайда анық болады.

7. АВТ қондырғысының негізгі атмосфералық бағаны 207 кг/с мұнай өңдейді. Түсті өнімнің массасылқ шығымы сай келеді: газ – 1,8%; бензин – 22,1%; дизелдік отын – 31,8%.

Қондырғы жылына 335 күн жұмыс жасайды. Шығындар мынаған тең – 0,83%. Қондырғының материалдық балансын санаймыз:

Фракция, ˚С	Х′oi	tcp, ˚С	Pi, кПа	ki	kiХ′oi/1+е′( ki -1)
н.к – 180	0,47	115	3090	18,18	0,60
180-350	0,31	270	310	1,82	0,35
350-450	0,11	400	23	0,13	0,04
450-510	0,06	480	5,5	0,03	0,01
>510	0,04	-	0	-	-

8. Ректификациялық бағанның жылулық балансы.

Q _вх = Q _вых (1)

Бағанның жылулық ағыны түседі:

1) t₀ температураға дейін қызған шикізат, сұйық түріндегі шикізат берілген жағдайда

Q_о = G_оJ ^ж _tо (2)

Отгонның массалық үлесі е болғанда бусұйықты күйде шикізат берілгенде

Q₀ = G_ое J ^п _tо + G_о(1-е) J ^ж _tо (3)

2) буланушы агентпен Q_в.п немесе ыстық ағынмен Q_г.с

Бағанның төмен жағынан қызу тәсілінен тәуелді бағанға түскен қосынды жылулық ағын мынаған тең:

Q _вх= G_ое J ^п _tо + G_о(1-е) J ^ж _tо+ Q_в.п (4)

немесе

Q _вх= G_ое J ^п _tо + G_о(1-е) J ^ж _tо+ Q_г.с (5)

Бағаннан жылулық ағын шығады:

1) дистиллят буымен Q _д= G_д ·J ^п _tд

2) төменгі сұйық өніммен Q _w= G _w ·J ^ж _tw

3) жоғарғы орошениемен - G_ор. Пары орошения, покидающие колонну, имеют ту же температуру, что и пары дистиллята – t_д, и после их конденсации орощающая жидкость входит в колонну с температурой t_ор=>:

Q _ор= G _ор (J _tд^п - J _ор ^ж) (6)

Бағанды тастап кететін қосынды жылулық ағын:

Q _вых= G _д·J _tд^п + G _w·J _tw^ж + G_ор (J _tд^п - J_tор ^ж) (7)

сонда Q _вх= Q _вых мына түрде жазылады:

G_о·е J ^п _tо + G_о(1-е) J ^ж _tо+ Q_в.п= G _д·J _tд^п + G _w·J _tw^ж + G_ор (J _tд^п - J_tор ^ж) (8)

Өнімдері бүйірден шығып жұмыс жасайтын күрделі баған үшін олардың жылуы шығындарды санағанда ескерілуі керек. Мұндай жылулық бағандарға көп енгізіледі, оның артығы циркуляциялық орошениямен түсіріледі. Осыдан жылулық баланс дефициті бойынша қажетті орошения саны, циркулденуші сұйық мөлшері мен оның суыту дәрежесі анықталады.

Мысалы: 0,7 мПа қысыммен жұмыс жасайтын ректификациялық бағанда, 35,07 кг/с мұнай кіреді G_о =35,07 кг/с (Р₄²⁰=0,868), ол 350^оС дейін қызған және су буы 0,95кг/с (G_вп =0,95 кг/с; Р=0,4МПа; t=400 ^оС).

Бағаннан шығады: бензинді фракция (G_бф =2,85 кг/с; Р₄²⁰=0,765); керосинді фракция (G_кф =5,97 кг/с; Р₄²⁰=0,781); дизельдік фракция (G_дф =6,31кг/с, Р₄²⁰=0,846); және мазут (G_маз =19,94 кг/с, Р₄²⁰=0,951).

Отпорлы бағандағы бүйірлік өнімдер отпаркасы үшін: керосиндіге (контур Б) су буы беріледі (G_вп – 0,12 кг/с); дизельдіге (контур А) су буы беріледі (G_вп – 0,13 кг/с). Отпорлы бағаннан су буы фракция бағанымен бірге негізгі бағанға оралады.

Бағанның жылулық балансын құрып, өткір және циркуляциялық орошенияның қажетті шығынын жібереді.

Бағанның температуралық режимі мына суретте келтірілген

Шешімі. Жылулық балансты дизельдік, керосиндік және бензиндік секциялар бойынша кесте түрінде құрамыз.

Қызған су буының энтальпиясын оның парциалдық қысымын ескере отырып аламыз.

Барлық есептеулерді кестеге енгіземіз.

Кесте 1

Дизелді фракциялардың секциясының жылулық балансы – контур А

Өнім	t^оС	G, кг/с	J·10^-3, кДж/кг	Q, Вт
Кіріс
Бу фазасы, фр.: бензинді керосинді дизельді сұйық фаза: мазут су буы	350 350 400	2,,85 5,97 6,31 19,94 0,95	1119 1112 1084 818 3276	3189150 6638640 6840040 16310920 3112200
Барлығы				36090950
Шығыс
Сұйық фаза: мазут бу фазасы, фр.: бензинді керосинді дизельді су буы	340 315 315	19,94 2,85 5,97 6,31 0,95	789 1023 1017 990 3100	15732660 2915550 6071490 6246900 2945000
Барлығы				33911600

Кесте 2

Керосинді фракция секциясының жылулық балансы – контур Б

Өнім	t^оС	G, кг/с	J·10^-3, кДж/кг	Q, Вт
Кіріс
Будағы фракция: бензинді керосинді дизельді су буы: бағанның төмен жағынан отпарлы секциядан	315 315	2,85 5,97 6,31 0,95 0,13	1023 1017 990 3100 3276	2915550 6071490 6246900 2945000 425880
Барлығы				18604820
Шығысы
Будағы фракция: бензинді керосинді сұйық дизельдік фрак. Су буы	200 315 200	2,85 5,97 6,31 1,08	741 736 760 2863	2111850 4393920 4795600 3092040
Барлығы				14393410

Кесте 3

Бензинді фракцияның секциясының жылулық балансы – контур В

Өнім	t^оС	G, кг/с	J·10^-3, кДж/кг	Q, Вт
Кіріс
Бу фракциясы: бензинді керосинді су буы: отпорлы секцияның бағанның төмен жағынан	200 200 400	2,85 5,97 1,08 0,12	741 736 2863 3276	2111850 4393920 3092040 393120
Барлығы				9990930
Шығымы
Будағы бенз. Фракц.: Сұйық кер. Фрак. Су буы	110 200 110	2,85 5,97 1,20	556 458 2700	1584600 2734260 3240000
Барлығы				7558860

Бензиндік фракция секциясы бойынша жылулық баланстың келетін бөлігін жоғарлату:

Q_б=9990930-7558860=2432070 Вт (9)

Артығын орошениемен алып тастау керек. Көбінесе бағанның жоғарғы жағынан өткір орошение ұйымдастырады. Орошения температурасын мынаған тең деп қабылдап 40^оС (J^ж=80кДж/кг), оның шығымын есептейміз:

(10)

Төменгі екі секцияда келетін және кететін жылулық ағындардың арасындағы айырым мынаны құрайды 6390760 Вт.

Бұл артық мөлшерін бір немесе бірнеше циркуляциялық орошениямен алып тастайды. Бір циркуляциялық орошения қабылдаймыз (Р₄²⁰=0,817) шығу температурасы 250 ^оС және қайтуы 90 ^оС. Сұйық орошенияның осы температурадағы энтальпиясы мынаған сәйкес болады 583 кДж/кг. Циркуляциялық орошения құрамы

(11)

Негізгі әдебиет 7 [30-35]

Қосымша әдебиет 4 [18-22]

Бақылау сұрақтары:

1. Ректификациялық бағанның технологиялық режимі.

2. Бүйірлік ағынның шығу температурасы қалай анықталады?

4. Бағанның төменгі жағы температурасы.

5. Бағанға түсетін шикізат температурасы.

6. Ректификациялық бағанның материалдық балансы қалай есептеледі?

7. Ректификациялық бағанның жылулық балансы қалай есептеледі?

№ 4 Тәжірибелік сабақ. Термиялық процестердің реакциялық аппараттарын есептеу

Тапсырмалар:

1. Термиялық крекинг

2. Процестің материалдық балансы.

3. Печтің реакциялық змеевигін есептеу.

4. Термиялық крекингте пештің жылулық есептелуі

5. Мұнай қалдықтарының Кокстенуі.

6. Коксті камералардың геометриялық өлшемдері.

Әдістемелік ұсыныстар

1. Термиялық крекингтің негізгі реакциялық аппараты құбырлы пеш болып табылады. Пеш санауы процесс жылдамдығын анықтауға келеді. Реакция жылдамдығын анықтау: практикада процесс жылдамдығы ретінде шарты түрде уақыт бірлігіндегі бензин шығымын алады (шикізат ыдырау тереңдігінен бензин шығымы тура пропорционал). Бензин шығымы процесс ұзақтығы өзгермеген кезде мына теңдеумен суреттеледі:

(1)

мұндағы Х_б2 және Х_б1 – мына температурадағы бензин шығымы t₂ және t_2, % масс, -температуралық градиент Бензин түзілу жылдамдығы:

(2)

сонда

(3)

мұндағы k_t – температуралық коэффициент

 мен k_t Е_акт мен процесс t тәуелді болады.

T₁ температурадағы белгілі бір бензин шығымын алуға қажетті егер уақыт белгілі болса ₁, онда уақыт (₂), мына формуламен есептейді:

(4)

(5)

Мысалы: 420°С та висбрекинг пешінде гудрон болу уақыты 3000с құрайды. 450°Ста болу уақыты қандай болады, егер гудрон өзгеру тереңдігі сондай болып қалса  = 14,2; k_t = 1,65.

₁ = 3000с

t₁ = 420°С

t₂ = 450°С

 = 14,2

k_t = 1,65

₂ = ?

Шешімі:

Мына формула бойынша (4):

lg ₂ = lg3000-2,1lg² = 2,84

₂ = 692c

(5) формула бойынша тексереміз:

lg ₂ = lg3000—3lg1,65 = 2,82

₂ = 661c

2. Қондырғының материалдық балансы негізінен рециркуляцияны ескеріп әр өнімнің қосынды шығымын көрсетеді (k_p):

G_c – шикізат шығымы, кг/с

G_p – рециркулят жұмсалуы, кг/с

Құбырлы пешке салыну коэффициенті (К_з):

Егер қандай да бір бірреттік пропусктен түзілген өнімнің массалық үлесі белгілі болса, Х_i, қосынды шығымы толық циркуляция болғанда әрекеттеспеген шикізат үшін анықталады:

Х_i = х_i(1+k_p) = х_i ·k_з

Мысалы. Висбрекинг пешіне 11,67кг/с жаңа шикізат пен 2,36кг/с рециркулят кіреді. Бір рет өтуге котелдік отын шығымы мынаны құрайды 66,5%. Котелдік отынның қосынды шығымы анықталады.

Шешімі:

G_p = 2,36кг/с 1) К_з = 11,67+2,36/11,76 = 1,2

х_кт = 66,5% 2) х_кт = 66,5·1,2 = 79,8%

Х_кт = ?

3. Печтің реакциялық змеевигін есептеу. Есептеу үшін Обредчиков әдісі қолданылады. Осы әдіс бойынша бензин шығымын (%) уақыт бірлігінде 470°Ста анықтауға болады. Бастапқы шама ретінде 1с бензин түзілуі 0,007% тең болатын 450°С крекинг жылдамдығы қолданылады. Осы шама бойынша керекті бензин мөлшерін алуға қажетне реакция уақытын анықтайды. Қысым мен бензин шығымы бойынша змеевигте график көмегімен бусұйық қоспа тығыздығын (рис.4.1) 470°С тағысын табамыз. Шикізат қозғалысының жылдамдығы (V_с,м/с) құбыр бойынша мына формуламен есептейді:

мұндағы G_c – шикізат шығымы, кг/с

_см –470°Ста бусұйықты қоспаның тығыздығы, кг/м³

d_вн –змеевик құбырының ішкі диаметрі, м.

Змеевик ұзындығы (L, м) құрайды:

L = V_с· (10),

Мұндағы  - реакциялық аумақтағы шикізат болу уақыты, с.

Сурет 34

Мысалы. Бір рет өтуге пештегі термиялық крекинг түзілетін бензиннің массалық үлесі, х_б = 4%. Шикізат шығымы (гудрон) – 14,44кг/с. Пештен шыққан кезде температура 470°С тең болады, ал қысым 2МПа. L = ? анықтау керек. Змеевиктің ішкі қысымы – 0,12м, гудрон үшін  =15,2.

Шешімі. Обрезчиков әдісін қолданамыз (450°С та х_б1=0,007%/с)

1. формула бойынша х_б2 = 0,007·2^470+450/15,2 = 0,017%/с

Шикізаттың реакциялық аймақта болу ұзақтығы:

Бусұйықты қоспаның тығыздығы (_см) график бойынша змеевиктегі бензиннің орташа құрамы 2% және қысымы 2МПа:

_см = 450кг/м³

Сонда формула (9):

Және (10) бойынша:

L = 2,84·235 = 667,4м.

4. Термиялық крекингте пештің жылулық есептелуі (балансы). Термиялық крекинг пешінің пайдалы жылулық пайдалылығы (Q_пол, Вт):

Q_пол = G_c[е·I^п_t2+(1-e)I^ж_t2+·q_p- I^ж_t1] (11),

мұндағы е – отгонның массалық үлесі;

I^п_t2, I^ж_t2, I^ж_t1 – судағы сұйық шикізаттың, бутәрізді, сұйық өнімдердің энтальпиясы (t₁) мен пештен шығымы (t₂), Дж/кг;

 - шикізаттың түрлену тереңдігі

q_p – реакцияның температуралық эффектілігі, Дж/кг.

5. Мұнай қалдықтарының кокстенуі. Материалдық баланс. Кокстену өнімінің шығымын анықтауға бірқатар эмпирикалық формулалар бар.

Кокстың массалық шығымын (Х_к, %) мына формула бойынша есептейді:

Х_к=2+1,66 К_с

мұндағы К_с- шикізат кокстенуі, %

Кокс пен газдың (Х_х+г,%) қосынды массалық шығымы

Х_к+г=5,5+1,76 К_с

К_с- 6,5 пен 25% аралықта өзгере алады.

Бензин шығымын (40-205 ^оС) мына формула бойынша анықтауға болады:

- бастапқы қалдық шикізаттың салыстырмалы тығыздығы.

Нельсон анықтады, кокс пен газдың шығымы мына қатынаспен өзара байланысты екенін: Х_г=Х_к·а_г

мұндағы а_г- шикізат тығыздығынан тәуелділік коэффициенті

Керосинді-газойльді фракция шығымын (Х_{кер-газойл},%) айырымдары бойынша анықтайды: Х_{кер-газойл}= 100 – Х_к – Х_г – Х_б

Мысалы. Гудрон кокстенуге ұшырайды, оның кокстенуі К_с=11,2%. Кокс пен газдың шығымын анықта:

Шешімі: 1) Х_к=2+1,66·11,2=20,6%

2) қосынды шығым Х_к+г=5,5+1,76 ·11,2=25,2%

Сонда газ шығымы: Х_г=25,2-20,6=4,6%

6. Коксті камералардың геометриялық өлшемдері. Коксті камералардың саны мен өлшемдерін санағанда келесі реттіліктерді ұстанады:

1. кокс шығымы бойынша оның массалық (G_к, кг/сут) және көлемдік (G_к¹, м³/сут) тәуліктік жұмсалуын анықтайды:

; (1) (2)

G_с,- шикізат жұмсалуы, кг/тәу

Р_к- коксті қабат тығыздығы, тең болады 800-960 кг/ м³

2. жалпы реакциялық көлемді табады (V_р, м³):

V_р= G_с¹/W; (3)

G_с¹- шикізаттың көлемдік жұмсалуы, м³

W- об. Ск. Шикізат берілуі, r^-1.

3) камералар санын жұптасып жұмыс жасайды деп қабылдайды, біреуінде ұзақтығы 24 сағат реакциялық цикл жүзеге асады, екіншісінде кокс шығарылады.

4) егер будың көлемдік шығымы әрі олардың рұқсат етілген камера арқылы өтетін қозғалысы белгілі болса, онда сечения ауданын (S, м²) камера диаметрін (Д, м) есептеп шығарады:

; (4) (5)

5)1 сағат ішінде түзілген кокс көлемін табады (V_к¹,м³):

V_к¹= V_к¹/24 (6)

Және коксты қабаттың 12 приращение высоты (h_к,м) коксового слоя за 12:

h_к=V_к¹/ S (7)

6) барлық жұмысшы цикліне коксты қабаттың жалпы биіктігін анықтайды (h₁,м) : h₁= h_к·r, (8)

мұндағы r- жұмысшы циклінің ұзақтығы, r

7) камераға енгізілген массасынң биіктігін анықтайды (h₂,м):

h₂=k_вс· h_к; (9)

мұндағы k_вс- коэффициент вспучивания

k_вс=4,5+0,11(486-t), t- камераға енгендегі шикізат температурасы, ^оС.

8) жалпы биіктігі: H= h₁ +h₂

мысалы: кокстену қондырғысында 400000 кг/тәу кокс өңдегенде 1,82·10⁶ кг/тәу гудрон (Р₄²⁰=0,98).

Кокстену қабатының тығыздығы Р_к.с=912 кг/м³. жұмысшы циклдену ұзақтығы – 24ч. Кокстену камерасының саны мен өлшемін анықтау керек, егер W=0,11 r^-1, t_вход=490 ^оС.

Шешуі: 1) G_к¹=400000/912=438,6 м³/тәу

2) V_реакц= G_с/24· Р_с· W=1,82·10⁶/24·980·0,11=703,5м³

3) реакциялық камера диаметрі ретінде Д=4,6м сонда

S=3,14·4,6²/4=16,6м²

4) 1г кокс көлемі:

V_к¹=438,6/24=18,3м³

5) коксты қабаттың биіктігін сағаттың өсіру:

h_к=18,3/16,6=1,1м

6) h₁=1,1·24=26,4м

k_вс=4,5+0,11(486-490)=4,06

7) h₂=4,06·1,1=4,5м

8) Н=26,4+4,5=30,9м

Алынған биіктік бір камера үшін тым биік болады, сондықтан екі тұрақты жұмыс жасайтын әрі екі резервтегі камераны қабылдағанда барлығы 4 камера болады

Кокстену процесінің жылулық балансы:

Q_вх= Q_вых

Q_вых= Q_ух+ Q_к+ Q_р¹+Q_пот (10)

Q_ух- бумен және газбен камерадан алып кетілетін жылу, кДж.

Q_к- -//-кокспен аккумулирленген, кДж

Q_р¹- процестің жылу эффектісі, кДж

Q_пот – жылу жоғалуы, кДж

Q_пот=3,6·α·S∆t

α – жылу берілу коэф. ~5,5-16,6Вт/м²·К

S – камераның сыртқы бетінің ауданы, м²

∆t – қоршаған орта мен камераның сыртқы беті арасындағы температур резкостьі, ^оС.

Негізгі әдебиет 7 [30-35]

Қосымша әдебиет 4 [18-22]

Бақылау сұрақтары:

1. Термиялық крекинг туралы мәлімет.

2. Процестің материалдық балансы қалай құрылады?

3. Печтің реакциялық змеевигін есептеу.

4. Термиялық крекингте пештің жылулық есептелуі қалай жүреді?

5. Мұнай қалдықтарының Кокстенуі.

6. Коксті камералардың геометриялық өлшемдері.

№ 5 Тәжірибелік сабақ. Каталитикалық крекинг қондырғы аппараттарын (реакторлар мен регенераторлар) есептеу

Тапсырмалар:

1. Процестің материалдық балансы.

2. Каталитикалық крекинг қондырғысының лифт-реакторын есептеу.

Әдістемелік ұсыныстар

1. Каталитикалық крекинг өнімінің шығымын Бондаренконың эмпирикалық формуласымен анықтауға болады, сонымен қатар Нельсон графиктері мен кестесі бойынша есептеледі. Бондаренко формуласы тек тура айдалатын керосинді және солярлы дистилляттардың каталитикалық крекингі үшін бір рет жібергенде дұрыс болады. Нельсон әдісі бойынша газойльдің рециркуляциялануы дәрежесі айырымы мен шикізаттың әртүрлі түрлері үшін жақындатып санауға болады. Осы әдіс бойынша крекингтің қаттылық факторын санау керек. Қаттылық факторы — реакторға шикізат берілуінің жылдамдығына катализатор циркуляциясының кратностығының қатынасы. Қаттылық факторы бойынша және шикізаттың сипаттамалық факторы бойынша мына суреттегі графикті қолданып 49, бірмәртелік жіберу есебінен шикізат айналу тереңдігін анықтайды. Графикті процестің келесі шарттары үшін құрастырған: температура 482°С; катализатор белсенділігі 30; регенерацияланған катализатордағы қалған кокс құрамы 0,5%. Егер крекингтің берілген шарты жоғарыдағыдан ерекшеленетін болса, онда шикізат айналу тереңдігіне түзету енгізу керек, мына кесте мәндерін қолданып 1.

Кесте 1. Каталитикалық крекинг әртүрлі факторларының шикізат айналу тереңдігіне әсері

Катал-тор белсенділігі	Реактор-ғы тем-тура, °С	Регенерацияланған кат-ғы кокс құрамы, %	Өзгеру тереңдігіне түзету, % шикізат масс.	Катал-тор белсенділігі	Реактордағы темпер-тура, °С	Регенера цияланған кат-ғы кокс құрамы, %	Өзгеру тереңдігіне түзету, % шикізат масс.
15 20 25 27,5 28,5 - 30	- - - 468 474 478 482	- - - - 0,8 0,6 0,5	-18 -11 -5 -2,6 -1,6 -0,7 0	- 32 33 36 38 40 45	486 490 496 510 524 - -	0,4 0,3 0,2 - - - -	+0,7 +1,5 +2,5 +5,2 +8,0 +10,0 14,0

Мысалы, шикізаттың айналу тереңдігі 60% масс, онда крекингтің берілген шартында (мына кестені көріңіз)—температурасяы 486°С, катализатор белсенділігі 32 және кокстың қалдықты құрамында 0,6%—ол мынаны құрайды: Х = 60+0,7+1,5—0,7 = 61,5% масс.

Мына суреттегі 1 график бойынша крекинг өнімінің шығымын анықтайды. Егер шикізаттың сипаттамалық факторы мәні 11,8—12,0 ерекшеленсе, онда өнім шығымын мына 2 және 3 суреттер бойынша анықтайды. Каталитикалық крекинг қондырғысы жүйесінен тәуелді процестің материалдық балансына корректировка енгізеді, төменде келтірілген коэфициентке алынған өнім шығымының мәнін көбейтіп:

Өнім катализатор қабатымен қондырғы

қозғалушы қайнаушы

Кокс . . . . . . 0,9-0,93 1,11-1,14

Бензин . . . . . . 1,0 1,0

Бутан-бутиленді

фракция . . . . . 1,07-1,12 0,86-0,93

Құрғақ газ . . . . . 0,91-0,94 1,06-1,09

Панченков және басқалары катализатордың қайнаушы қабатындағы каталитикалық крекинг реакциясы кинетикасы туралы тәжірибелік мәліметтерді өңдеп шикізат айналу тереңдігінен бензин (Х_б, % масс.) шығымының тәуелділігінің келесі теңдеуін ұсынды:

(1)

мұндағы Х – гшикізаттың айналу тереңдігі, % масс.; k – реакция жылдамдығының константасы.

Сурет 35. Сипаттамалық факторлары 11,8—12,0 болатын шикізаттың айналу тереңдігінен каталитикалық крекинг өнімінің шығымынан тәуелділігі. Қисықтағы цифрлар: 47, 55 және 62% масс. – бірреттік жіберуге шикізаттың айналу тереңдігі; 0,5, 1,0 мен 1,5 — рециркуля­циялар коэфициценті; 1 — дебутанизирленген бен­зин; 2 — бутан-бутиленді фрак­ция; 3 — құрғақ газ (пропан және одан жеңіл); 4 — кокс.

Сурет 36. Каталитикалық крекинг өнімінің шығымына шикізат табиғаты, әсері.

Пунктирлі сызықтар — тура айдау шикізаты; жазық сызықтар — сырье вторичного проис­хождения; цифры на кривых — глубина превращения, % масс.

Сурет 37. Каталитикалық крекингте бутан-бутиленді фракциялар мен құрғақ газдың шығымы:

1, 2 — циркуляциясыз крекингте бутан-бутиленді фракция мен құрғақ газ шығымы сәйкесті; қисықтардағы цифрлар: 47, 55 және 62% масс. — бірреттік жіберудегі шикізаттың айналу тереңдігі; 0,5, 1,0 и 1,5 —рециркуляция коэффициенттері.

Айналудың қолайлы тереңдігін анықтау үшін Х_опт, ол бензиннің максималды шығымына сай келеді Х_б.макс, мына теңдеуді дифференциялау керек (1) және алынған туындыны нолге теңестіруге.

Керосинді-газойльді фракция үшін тығыздығы d²₄ =0,866, мо­лекулалық массасы 220, ароматты және олефинді көмірсутектердің құрамы 21—28%, нафтенділері 19—30%, парафиндісі 40—55% және алюмосиликатты катализаторлар құрамы ( % масс): 86,3 SiO₂, 12,7 Al₂0₃, 0,5 СаО, 0,3 S0₄^2-, 0,12 Fе₂0₃, 0,35 Nа₂0, к тұрақтысы 450—465°С тең 0,28—0,30.

Панченков қызметкерлерімен бірге катализатордағы кокс құрамының реакция аумағындағы соңғысының болу уақытынан тәуелділігін шығарды

Х'_К = Аτ + В (1 – e^Dτ) (2)

мұндағы Х'_К – катализатордағы кокс құрамы , % масс.; τ — преакция аумағындағы катализатордың болу ұзсақтығы, с; A, В және D — кокстүзілу тұрақтысы, процесс шартынан тәуелді; 450°С керосинді-газойльді фракция крекингі үшін ол мынаған сәйкесінше тең 0,0075, 1,17 және 0,0955.

(2) теңдеу мына аралықтағы 430— 450 °С процесті жақсы суреттейді.

Орочко мен Черникова сатылы-ағыны қарсы типті каталитикалық крекинг қондырғысында ауыр газойльдің айналу тереңдігінен өнім шығымының тәуелділік теңдеуін шығарды (Х, массалық үлесі)

Жеңіл газойль

(3)

бензиндікі

(4)

кокстікі

Х_к = 0,115Х³ (5)

мұндағы X — шикізаттың айналу тереңдігі, массалық үлесі; К' және К" -макрокинетикалық коэффициенттер, реактордағы температура мен секция санының температурадан тәуелділігі мәні төменде келтірілген.

Секция саны

мен температура, °С К' К"

Алты

520 . . . . 1,45 0,80

500 . . . . 1,45 0,05

475 . . . . 1,25 0,60

450 . . . . 0,95 0,55

Төрт

500 . . . . 1,50 0,70

475 . . . . 1,25 0,65

Газ шығымын бензин мен кокстың, жеңіл газойль шығымы мен шикізат айналу тереңдігі арасындағы айырымыбойынша анықтайды.

Мысалы 1. қайнаушы катализатор қабатындағы каталитикалық крекингтегі бензин шығымын анықтау, егер белгілі болса: шикізат ретінде тығыздығы D₄²⁰ =0,870 керосинді газойльді фракция бола алады; шикізаттың айналу тереңдігі X= 0,62; реактордағы температура 468°С.

Шешімі. Реакция жылдамдығы константасының мәніне мынаны қабылдайды k = 0,28. Мына теңдеу бойынша бензин шығымын анықтайды (6).

(6)

2. Лифт-реакторды есептегенде шикізаттың ену температурасын, лифт-реактордан суспензия шығымын, диаметр и высоту лифт-реактор диаметрі мен биіктігін анықтайды.

Лифт-реактор диаметрін келесі кескін бойынша есептейді.

1). лифтті типті реактордың жылулық балансын құрастырады, одан лифт реакторға шикізат түсу температурасын анықтайды, шикізат циркуляциясының қысқалығын бере отырып әрі түсетін шикізат температурасын бере отырып.

2) лифт-реактордағы бу көлемін анықтайды (V_{пр. р,} м³/ч).

3. (V_к.р, м³/ч) " лифт-реактордағы катализатор көлемін табады, ол үшін катализатор массасы (G_к.р) мен оның насыпный тығыздығын р білу керек

V_к.р = G_к/р_к (1)

4). лифт-реактордағы жалпы ағын көлемін (V_об,м³/с) санайды

V_об = V_{пр. р} + V_к.р (2)

5). (F, м²) реактордағы көлденең кесіндінің ауданын санайды

F = V_oб/u (3)

мұндағы u — лифт-реактордан шығатын қозғалыстың сызықты жылдамдығы (м/с). Лифт-реакторы диаметрі(м)

(4)

Кейде лифт-реактор ауыспалы кесінді жасайды. Бұл жағдайда лифт реакторға енгендегі температураның бу көлемін анықтау керек және соған ұқсасты, жоғарыда айтылғандай диаметрін де санайды. Лифт-реакторға енгендегі сызықтық жылдамдығын ескеріп, ол мынаған тең и = 6-10 м/с.

Лифт-реактор биіктігін келесі жолмен санайды.

1. Лифт-реактордағы катализатор массасын анықтайды (т)

(5) мұндағы G_c — лифт-реакторға тиеу, т/с; ω – шикізат берілуінің массалық жылдамдығы, ч^-1.

2. реакциялық кеңістіктің көлемін есептейді (м³)

(6)

мұндағы γ_к.c - лифт-реактордағы суспензия тығыздығы (кг/м³).

3. h лифт-реактор биіктігін анықтайды (м)

(7)

Осыдан

(8)

мұндағы d - лифт-реактор диаметрі, м.

№ 6 Тәжірибелік сабақ. Каталитикалық гидрогенизациялық процесстердің аппараттарын есептеу

Тапсырмалар:

1. Процесс сипаты.

2. Гидрокрекингтің материалдық балансы.

3. Дизель отынының гидротазалануының материалдық балансы

4. Гидротазалаудың реакторларының геометриялық өлшемдерін анықтау.

Әдістемелік ұсыныстар

1. Гидрокрекинг пен гидротазалау гидрогенизациялық каталитикалық процестер тобына жатады және жалпы теориялық заңдылықтарға бағынады. Аталған процестер бір бірінен реакцияның ену тереңдігімен ерекшеленеді және соның әсерінен технологиялық режиімнен әрі аппаратуралық жабдықталуымен.

Гидрокрекинг мақсаты, каталитикалық крекинг үшін азкүкіртті шикізат пен ашық түсті отын алумен бекітіледі де вакуумды дистилляттардың бастапқы айналу тереңдігін қарастырады. Көп жағдайда жеңіл бірсатылы гидрокрекинг мына қысымда 5—7 МПа, температура 360—440°С, сутекқұрамды газдың циркуляция қысқалығы 800-2000 м³ ол 1 м шикізат пен шикізат берілуінің көлемдік жылдамдығы 0,2-1,0 с^-1. Бұл жағдайда айналу тереңдігі 0,6—0,8 реакцияға сутек шығымы 1 ден 3 % болғанда. Гидрокрекинг жылу бөле жүреді, процестің меншікті жылулық эффектісі 293-420 кДж/кг құрайды.

Гидротазалаудың негізгі мақсаты мұнай дистилляттарынан күкіртті және басқа гетероатомды қосылыстарды бөліп алу, олар тауарлы мұнайөнімдерінің сапасын жақсартады. Осыдан көмірсутектердің негізгі массасы химиялық түрленуге ұшырамау керек, сондықтан гидротазалау процесі біршама жеңіл жағдайда жүргізіледі: төмен темпера­турада (350-400°С), қысым (3-5 МПа), сутекқұрамды газдың қысқалық циркуляциясы (500—600 м³ на 1 м³ сырья) және шикізат берілуінің көледік жылдамдығы жоғарлаған кезде (1,5-7,0 ч^-1 ). Гидротазалауға кез келген мұнай дистилляттары ұшырайды, дегенмен өндірілетін шикізат көлемі бойынша дизельді отындардың гидротазалануы біршама кең таралған.

2. Гидрокрекинг пен гидротазалау ережеге сай стационарлы қабаты бар катализаторлары бар реакторларда жүргізіледі. Сол немесе басқа процестердің катализаторлары көп жағдайда сонша айырмашылықтары болмайды.

Гидрокрекинг өнімі газ, бензин, дизель отыны болып табылады. Кейде өнімдерге қалдықты да кіргізеді. Жалпы түрлену дәрежесі түсті өнімдердің қосынды шығымын ескереді. Гид­рокрекинг каталитикалық крекингпен үлкен ұқсастығы бар, сондықтан гидрокрекинг өнімі шығымын анықтау үшін сол формуланы қолдану керек. Жақындатылған есептеулер үшін макрокинетикалық коэффициенттерді мынаған тең деп қабылдайды: к' = 1,3; к"= 2,0.

Газ шығымы дизельдік отын мен бензиннің қосынды шығымы әрі айналу тереңдігі арасындағы айырыммен анықталады.

Мысалы. Вакуумды дистиллят гидрокреикнг өнімінің шығымын анықтау, егер оның айналу тереңдігі 0,68 болса.

Шешімі. Макрокинетикалық коэффициенттерді былай деп қабылдасақ к' = 1,3 и к''=2,0, бензин шығымын анықтаймыз ( массалық үлесте) мына формула бойынша:

(1)

Дизель отының шығымын мына формуламен анықтаймыз:

(2)

Газдың шығымы айырым бойынша х_г = 0,68 - (0,17 + 0,31) = 0,2.

3. Процестің негізгі өнімі гидротазаланған дизель отыны болып табылады, бірмезгілде бірқатар мөлшерде газ, бензин мен күкіртсутек бөлінеді.

Тазаланған дизель отының шығымын (X_д.т,%) мына формула бойынша анықтайды

Х_д.т = 100 – Х_б – Х_г - S, (1)

Мұндағы Х_б , Х_г , S – бензин, газ және шикізаттан бөлінген күкірт мөлшері,  шикізатқа.

Бензин шығымы мынаған тең Х_б = S деп қабылданады, газ шығымын мына формуламен анықтайды Х_г = 0,З S.

Түзілген күкіртсутек мөлшері

(2)

мұндағы МН₂s, Ms – күкіртсутектің және күкірттің молярлық массасы сәйкесті, кг/к моль.

Мысалы. Дизельдік фракциядағы күкірттің массалық құрамы 1,2 % тең. Гидротазалағаннан кейін күкірт құрамы 0,15% төмендейді. Гидротазаланған фракциялардың, бензиннің, газдың және күкіртсутектің шығымын анықтайды.

Шешімі.Гидротазалау процесінде күкірт бөлінген S = 1,2 - 0,15 = 1,05%.

Бензин шығымы

Х₆= 1,05%.

Газ шығымы

X_Г = 0,3-1,05= 0,315%.

Тазаланған дизель отынының шығымы

X_Д.Т = 100-1,05-0,315-1,05= 97,585%.

Күкіртсутек пен күкірттің молярлық массасы сәйкесінше тең 34 пен 32 кг/ к моль, сәйкесінше, күкіртсутек шығымы

4. Есептеуді каталитикалық риформинг реакторлраы үшін арналған әдістемелер бойынша жасайды. Көбінесе Обычно на установках гидроочистки нефтяных дистилля­тов устанавливают от одного до трех последовательно работающих реакторов.

Мысалы. 115 000 кг/ч дизельдік отынды гидротазалауға (р²⁰₄ = 0,858; М = 212 кг/к моль) реакторлар саны мен геометриялық өлшемдерін анықтау, көлемдік жылдамдығымен берілген 2,4 с^-1. Процесс температурасы 360⁰С, реакциялық аумақтағы қысым 3,6 МПа, шикізаттың сығылу коэффициенті 0,92. 1 м³ шикізатқа 550 м³ сутекқұрамды газдың циркуляциясының қысқалығы, бугазды қоспаның қозғалыс жылдамдығы 0,4 м/с.

Шешімі. Шикізат буының көлемдік шығымын анықтаймыз

Сутекқұрамды газдар:

Газдышикізат қоспасының қосынды көлемдік шығыны құрайды

Реактор кесіндісі ауданы мынаған тең

Оның диаметрі

Реакциялық аумақтағы жалпы катализатор көлемі мына формуламен анықтаймыз:

Катализатор қабатының жалпы биіктігі

Ретімен жұмыс жасайтын екі реакторды қабылдаймыз, сонда әрқайсысындағы катализатор қабатының биіктігі

Әр реактордың толық биіктігі

Негізгі әдебиет 7 [36-38]

Қосымша әдебиет 4 [25-36]

Бақылау сұрақтары:

1. Каталитикалық гидрогенизациялық процесс сипаты.

2. Гидрокрекингтің материалдық балансын құру жолын меңгердіңіз ба?

3. Дизель отынының гидротазалануының материалдық балансын құра аласыз ба?

4. Гидротазалаудың реакторларының геометриялық өлшемдерін анықтау қандай жолдармен жүзеге асады?

№ 7 Тәжірибелік сабақ. Каталитикалық риформингтің регенераторлары мен реакторларын есептеу

Тапсырмалар.

1. Процесс сипаттамасы.

2. Процестің материалдық балансы.

3. Процестің жылулық балансы.

4. Риформинг реакторларының геометриялық өлшемін анықтау.

Әдістемелік ұсыныстар

1. Каталитикалық риформинг жоғарыоктанды бензин алудың ең басты процесі болып табылады. Құрамында ароматты көмірсутектердің біршама мөлшері болатын өнімдегі тура айдаған бензин фракциясының шикізатына өзгертуге биметалды немесе жоспарлы қолданылады. Алынған ароматты фракцияларды жоғарыоктанды қоспалар ретінде ғана емес жекелеген ароматты көмірсутектерді одан ары бөлу үшін шикізат ретінде қолданылады. Осыған байланысты каталитикалық риформингтің екі әртүрі болады, ол немесе бензин компонентін алуға немесе ароматты концентратты алуға арналған. Осы екеуі де технологиялық кескіні бірдей әрі мықтылығы, аппараттар өлшемімен, фракциялық шикізат құрамымен және бірқатар параметрлермен ерекшеленеді. әртүрлі өнімдер алу үшін шикізат қайнауының температуралық шегі төменде келтірілген:

Алынған өнім шикізаттың қайнау шегі, ^о С

Бензин компоненті 85-180

Бензол 62-85

Толуол 85-120

Ксилолдар 120-140

Процесс каталитикалық риформинг процесін қозғалмайтын катализатор қабатында циркуляцияланатын сутекқұрамды газ тогінде мына температурада 470-540°С және қысымда 1,4-3,5 МПа жүргізіледі. Таблеткаланған , платиналы АП-64 және платиноренийлі серияның КР (КР104, КР104А и др.) катализаторлар қолданылады. Циркуляцияланатын сутекқұрамды газда сутектің 75 көлемдік пайызын құрайды. Сутекқұрамды газдың циркуляция қысқалығы 1 м шикізаттан 700 ден 1500 м құрайды.

2. Каталити­калық риформингтің мақсатты негізгі өнімі бензин-катализат болып табылады. Бірмезгілде газ түзеді, құрамында сутек пен көмірсутек бар. Катализаторда жиналған кокс мөлшері көп емес, әрі оны баланста ескермейді.

Риформинг өнімдерінің орташа шығымы келесі мәліметтермен сипатталады:

Массалық шығымы, 

Бензин-катализат 7,5-90,0

Водород 0,8-1,8

Пропан 5,1-12,0

Бутандар 3,6-9,7

Риформинг өнімінің шығымын анықтаудың есептеуші әдістері болмайды. Жақындағанда бензин шығымы мына графикпен анықталады (сурет 1, 2) ол шикізаттың көмірсутектік құрамынан тәуелді.

Сурет 38. Шикізаттың көмірсутектік құрамынан бензин риформингінің шығымының тәуелділігі (фракция 105-180⁰С) 1- октан саны 75, 2 – октан саны 80 ( моторлық әдіс бойынша)

Сурет 39. Октан саны 95 (зерттеу әдісі бойынша) бензиннің каталитикалық риформингінің шикізаттың көмірсутектік құрамынан тәуелділігі: 1 - фракция 85-180 °С; 2 - фракция 105-180 ° С

Мысалы. Каталитикалық риформингке фракциялар 105—180^оС ұшырайды, нафтенді және ароматты көмірсутектердің қосынды массалық құрамы 50 % құрайды. Октан саны 80 болатын бензин шығымын анықтау (моторлық әдіс бойынша) мен октан саны 95 бензин (зерттеу әдісі бойынша) .

Шешімі. Октан саны 80 бензин шығымын график бойынша табамыз (1суретті көріңіз). Ол 91,5 % тең болады.

График бойынша (2 суретті қара) октан саны 95 бензин шығымын анықтаймыз, ол 86,2 % құрайды.

Жауабымен жалпы заңдылығы нақтыланады, ол сапасын жақсартады, яғни өнімнің октан саны жоғарлаған сайын оның мөлшері төмендейді.

3. Каталитикалық риформинг процесі үлкен мөлшерде жылу сіңіре жүреді де оның аралық подво­дын талап етеді. Осыған байланысты барлы реакциялық көлем бірнеше арнаулы аумаққа немесе сатыларға бөлінеді. Көбінше үшсатылы жүйе қолданылады, ол бірінен кейін бірі жалғасқан реакторлардан тұрады. Кейде соңғы сатысында біреуінің орнына паралель жұмыс жасайтын реакторлар орнатады. Жылу балансын әр реактор немесе сатылар үшін құрайды, шығыс кезіндегі қоспаның газдыөнімінің температурасын анықтау үшін.

Мысалы бірінші реактор үшін жылу балансын мына түрде жазса болады

(1)

мұндағы Gc – шикізаттың массалық шығымы, кг/с; - реакторға енгендегіжәне шыққандағыосы температуралардағы шикізат буының энтальпиясы, Дж/кг;- циркуляцияланған сутекқұрамды газдың массалық шығымы, кг/с; — сутекқұрамды газдың орташа жылусыйымдылығы, Дж/(кг.К); у —реактордағы шикізаттың айналу тереңдігі, массалық үлес; х_i, /_i^п – реакцияның жекелеген компоненттерінің массалық үлесі мен энатльпиясы; q_p реакцияның жылулық эффектісі, Дж/кг.

Шикізат буының энтальпиясы мына формуламен есептеледі (1), алынған нәтижеге қысымға түзету енгізіледі.

Циркуляцияланған сутекқұрамды газдың орташа жылусыйымдылығы аддитивтілік ережесі бойынша анықталады. Есептеулерді қысқарту үшін жылусыйымдылыққа қысым мен температура әсерін ескермесе болады. Айналу тереңдігінің біршамасы бірінші реакторда байқалады, екіншісі мен үшіншісінде одан азырақ.

Қосындыны есептей отырып х_i/^п_i реакция өнімінің компоненттері ретінде құрғақ газды, пропан-бутан фракцию мен бензин-катализат қабылдайды. Құрғақ газ энтальпиясын оның орташа жылусыйымдылығы бойынша анықтайды.

Процестің меншікті жылу эффектісі шикізаттың көмірсутектік құрамынан тәуелді болады. Нафтенді шикізат үшін ол 410 тан 585 кДж/кг аралықта болады, парафинді үшін — 210 нан 295 кДж/кг.

Реактордан шыққандағы өнімдік қоспаның температурасын көбінесе таңдау әдісімен анықтайды, яғни біртіндеп әртүрлі температура мәні беріледі де мына теңдеуді шешеді (1) яғни келген және кеткен жылу балансы тең болмағанша.

Мысалы. Каталитикалық риформингтің бірінші реакторынан шыққан өнімдік қоспаның температурасын анықтау, 10,875 кг/с бензин фракциясы түседі (р²⁰₄ = 0,734; М = 118 кг/кмоль; Ткр = 583 К; р_кр= 2,7 МПа). Реакторға енгендегі температура 530С, қысым 2,9 МПа, шикізаттың айналу тереңдігі 0,61. реакция өнімінің массалық құрамы: құрғақ газ — 5,0 %; пропан-бутанды фракции (Ткр = = 400 К, р_кр = 3,9 МПа) -9,8%; катализат (р²⁰₄= 0,768; М= 108 кг/кмоль; Ткр = 570 К; р_кр = 3,3 МПа) - 84,2 %. Құрғақ газдың массалық құрамы: Н₂- 6,8 %; СН₄ -62,3 %; С₂Н₆ - 18,7 %; С₃Н₈ - 12,2 %; циркуляцияланған газ: Н₂ - 43,4 %; СН₄ -27,8 %; С₂Н₆ - 19,3 %; С₃Н₆ — 9,5 %. Циркуляцияланған сутекқұрамды газдың 1 м³ шикізатқа қысқалығы 755 м³. Процестің жылулық эффектісі 430 кДж/кг шикізатқа. Пропан-бутан фракциясының энтальпиясын 1780 кДж/кг деп қабылдаймыз.

Шешімі. Реактордан шыққандағы температураны 470°С қабылдаймыз, осы темпе­ратура үшін теңдеудің жылулық балансын құрамыз (1).

Реакторға енгендегі және шыққандағы шикізат буының энтальпиясын мына формула блойынша анықтаймыз, график бойынша энтальпияға келтірілген температура мен қысым арқылы түзету жасалады.

Реакторға енгендегі шикізат үшін:

(2)

(3)

(4)

Реактордан шыққандағы шикізат үшін:

(5)

(6)

(7)

Осыған ұқсасты катализат энтальпиясын анықтаймыз:

(8)

(9)

(10)

Пропан-бутанды фракция энтальпиясы берліген -1780 кДж/кг.

Құрғақ газдың энтальпиясын температураға орташа жылусыйымдылықтың туындысы ретінде санаймыз. Сутек жылусыйымдылығы ретінде 14,8 кДж/ (кг-К), қалған компоненттердің жылусыйымдылығын графиктен табамыз. Жылусыйымдылықтың келесі мәндерін аламыз ол килограм-кельвинге килоджоуль болады: метан — 3,90; этан — 3,45; пропан — 3,38. компоненттердің массалық үлесін ескере отырып құрғақ газдың орташа жалусыйымдылығы

С с.г = 0,068.14,8 + 0,623<3,9 + 0,187-3,45 + 0,122.3,38 = 4,49 кДж/ (кг.К).

Құрғақ газдың энтальпиясы

(11)

Есептеулерді қысқарту үшін сутекқұрамды газдың орташа жылусыйымдылығын анықтаймыз, компоненттердің табылған жылусыйымдылығын қолданып:

с _в.г = 0,434.14,8 + 0,278-33+ 0,193-3,45 + 0,095.3,38 = 8,49 кДж/ (кг-К).

Сутекқұрамды газдың орташа молярлық массасын табамыз

(12)

Және оның тығыздығы

(13)

Сонда сутекқұрамды газдың массалық шығымы тең болады

(14)

Берілген және табылған мәндерді мына теңдеуге қойып (1), алатынымыз:

10,875-1664.10³ + 2,05-8,49 (530 - 470) 10³ =

= 0,39-10,875.1461-10³ + 0,61-10,875 (0,06-2110 +

+ 0,842-1449 + 0,098-1780) 10³ + 0,61-10,875-430-10³;

_Qвх = 19 140 270 В; _Qвых = 19 139 562 Вт.

Баланстың келген (_Qвх) және жұмсалған (_Qвых) бөлігіндегі жылу ағынының арасындағы айырым көп емес, сондықтан реактордан шыққан кездегі температура бірінші қабылданғанға сай келеді.

4. Каталитикалық риформинг реакторлары біртіндеп жұмыс жасайды, шикізатты аралық әкелу мен реакция өнімін әкету жоқ. Барлық реакторлар арқылы шикізат пен циркуляцияланатын сутекқұрамды газдың бірдей мөлшері келеді. Осыдан келіп, есептеудің келесідей реті сақталады

1. Катализатор көлемін табады (Vк.р,м³ ) :

V_к.р = G_c/ρ_cw

Шикізат берілуінің көлемдік жылдамдығы мына кең аралықта өзгереді 1 ден 5ч^-1.

2. шикізат қоспасының қосынды көлемдік жұмсалуы мен циркуляцияланатын газды анықтайды (G'_см, м ³/с)

G'_см = G'_п + G'_{ц.г '}

Мұндағы G'_п – шикізат буының көлемдік жұмсалуы, м/с; G'_{ц.г '-} циркуляцияланатын сутекқұрамды газдың көлемдік жұмсалуы, м³ /с.

3. реактордың кесінді аумағын мына формуамен анықтайды (S, м²) реактора S=G'_см/v, мұндағы v — қоспа қозғалысының жылдамдығы, м/с.

Риформинг реакторындағы қоспа қозғалысының сызықтық жылдамдығы көбінше мына аралықта жатады 0,3—0,5 м/с аппараттың толық кесіндісіне.

4. Кесінді ауданы белгілі болғандықтан реактор диаметрін табады.

5. Катализатор қабатының қосынды биіктігін есептейді (h_k, м), барлық реакторларда болатын: h_к = V_k.p/S

Өнеркәсіптік қондырғыда катализатор көбінесе реакторлар арасында мына қатынаста таралады 1 :2 : 4, яғни бірініші реакторда 15%, екіншіде — 30 % және үшіншіде — 55 % катализатордың барлық көлемі. Егер реакторлар өлшемі бірдей деп қабылдаса, одан ары есептеуді үшінші салынған реактор бойынша санайды. Бұл жағдайда ондағы катализатор биіктігі (h_k') былай анықталады: h_k' = 0, 55 h_k

Реактордың жалпы биіктігіне (H,м) оның цилиндрлік бөлігінің биіктігі де кіреді (катализатор қабатының биіктігі, 1,5 ретке жоғарлаған) және екі жарты шарлы түбі:

H=1.5 h_k' + D

мұндағы D — реактор диаметрі, м.

Бірінші және екінші реактор биіктігі үшіншісінің биіктігіне тең деп алынады. Егер қондырғы реакторлары өлшемі бірдей болмаса әрқайсысының биіктігін жоғарыдағы формула бойынша катализаторда орналасқан көлемнен табады.

Негізгі әдебиет 7 [30-35]

Қосымша әдебиет 4 [18-22]

Бақылау сұрақтары:

1. Жоғарыоктанды бензин алудың ең басты процестерінің бірі не?

2. Каталитикалық риформингтің регенераторлары мен реакторларын есептеу

3. Процесс сипаттамасы.

4. Процестің материалдық балансын құру.

5. Процестің жылулық балансын құру.

6. Риформинг реакторларының геометриялық өлшемін анықтау әдістері қандай?

№ 8 Тәжірибелік сабақ. Пентанды изомерлеу және бутилендерді алкилдеу процестерінің аппараттарын есептеу

Тапсырмалар:

1. Изобутанды пропиленмен және бутиленмен алкилдеу процесі.

2. Изобутанды бутиленмен күкіртқышқылды алкилдеу.

3. Алкилдеу қондырғысының материалдық балансын құру

Әдістемелік ұсыныстар

1. Изобутанды пропиленмен және бутиленмен алкилдеу процесі алкилаттар яғни бензиннің жоғарыоктанды компоненттерін алуға арналған. Бензолды пропиленмен алкилдеуді изопропилбензол алу мақсатында жүргізеді — ол да бензиннің жоғарфоктанды компоненті, немесе фенол мен ацетон өндірісі үшін шикізат алу мақсатында. Бензолды этиленмен алкилдеу нәтижесінде этилбензол алынады, оны дегидрирлеу арқылы стиролға айналдырады—ол каучук өндірісі үшін шикізат болады. Изобутанды олефиндермен алкилдеудің катализтаорлары ретінде көбнесе күкірт және фторсутекті қышқылдар қызмет етеді. Ароматты көмірсутектерді олефиндермен алкилдеуге қатты тасымалдағыштағы ортофосфор қышқылын және хлорлы алюминий қолданылады.

2. Изобутанды бутиленмен күкіртқышқылды алкилдеу 0-10°С температура мен 0,757—0,858 МПа қысымда жүреді. Олефиндердің полимерлену реакциясын басу үшін реакторда изобутанның артық мөлшерін құрады (мольдік), ол олефинге 0—10:1 болады. Реактордағы көмірсутектік және күкіртқышқылды фазалар арасындағы көлемдік қатынасты 1:1 ден 1:2 арасында ұстайды. Реакторға 98%-ды таза қышқыл (свежую) береді, ал қоланылғанын яғни концентрациясы 90% төменін шығарады. Қышқылдың шикізатпен жанасу ұзақтығы 20—30 мин. Көбінше қышқылдар 16—18% масс жұмсалады, ал жекелеген жағдайларда 20% масс дейін алкилатқа.

Алкилдеу өнімінің шығымын (алкилаттың) мынаған тең десе болады 180—200% масс, реакцияға түскен олефиндерден. Себебі 90—95% барлық алкилат компонент авиа­циялық бензин компонентіне келеді (авиаалкилат)және тек 5—10% автомобиль компонентіне (автоалкилат). Изобута­нды бутиленмен алкилдеу реакциясы жылу бөле жүреді: 1381 кДж/кг бутилендер немесе 732,5 ден 962,7 кДж/кг алкилат. Реакторға шикізат берілуінің көлемдік жылдамдығы 0,39—0,40 ч^-1. Күкіртқышқылды алкилдеу екі типті реакторда жүзеге асады: турбоараласқышқты және каскадты.

Мына кестеде жұмыстың технологиялық режиімінің мысалдары мен изобутанды бутилендермен күкіртқышқылды алкилдеу қондырғысы ректификациясының блок өнімдері сапасына мысалдар келтірілген.

Кесте. Өнім сапасы мен қондырғы жұмысының технологиялық режимі

Көрсеткіштер	Колонна
	пропанды	изобутанды	бутанды	Екіншілік айдау
Қысым МПа Температура, °С Жоғарғы жақтың Төменгі жақтың Шикізаттың көмірсутектік құрамы, % көлемдік С3 изо-С4Н10 н-С4Н10 С5және жоғары Ректификаттың көмірсутектік құрамы, % көлемдік С3 изо-С4Н10 н-С4Н10С5және одан жоғары	1,60 -1,70 40-45 85-100 2,0 89,0 9,0 - 95,0 5,0 - -	0,65-0,70 45-55 95-120 1,5 66,0 15,0 17,5 2,0 89,0 9,0 -	0,45-0,50 45-50 125-135 - 1,5 32,0 66,5 - 2,8 71,0 26,2	Көп емес 0,13 100-115 220 дейін - - - 100 - - - -

3. Алкилдеу қондырғысының материалдық балансын құрғанда реакцияға енген изобутан мен бастапқы шикізаттағы әр компоненттің мөлшерін есептейді, мына теңдеу бойынша

изо-С₄Н₁₀ + С₄Н₈= изо-С₈Н₁₈

яғни 1 моль изобутанға 1 моль бутилен керек. Осыдан 58 кг изобутанға 56 кг бутилен керек. а изобутанның бутиленге массалық қатынасы құрайды

а = 58/56 = 1,04

Әрекеттесетін изобутан мен бутилендердің массалық қатынасы 1,1 : 1 ден 1,2 : 1.

Реакцияға түскен изобутан мен бути­лендердің мөлшері бойынша алкилат шығымы анықталады. Жұмыс жасаған бутан-бутилен фракциясына қ-бутан, изобутан мен бутилендер кіреді, ол реакцияға түспеген. Пропан шығымы бастапқы шикізаттағы оның құрамына тең.

Изобутанды бутилендермен алкилдегендегі реакторлар саны мен өлшемдерін анықтау үшін көмірсутектік және қышқылдық фаза көлемін есептейді; реакциялық көлем—шикізаттың болуының ұзақтығы бойынша немесе оның берілуінің көлемдік жылдамдығы бойынша; стандартты реакторлар саны диаметр және реактордың реакциялық бөлігінің биіктігі—реакциялық көлемі бойынша.

Негізгі әдебиет 7 [42-51]

Қосымша әдебиет 4 [32-39]

Бақылау сұрақтары:

1. Алкилаттар яғни бензиннің жоғарыоктанды компоненттерін алуға арналған процесс қалай аталады?

2. Изобутанды бутиленмен күкіртқышқылды алкилдеу қалай жүзеге асады?

3. Алкилдеу қондырғысының материалдық балансын құру жолдарын үйрендіңіз ба?

№9 Тәжірибелік сабақ. Этиленді полимерлеудің реакторларының негізгі технологиялық параметрлері.

Тапсырмалар:

Төмен қысымды этиленнің полимерленуінің реакторының материалдық балансын құру.

Бастапқы мәліметтер:

Этилен бойынша өнімділік 24 0000 т/жылына;

Жылдағы реактор жұмысының сағат саны (Z) 7 200;

Полимерлену процесіндегі этилен мен полиэтиленнің қоснды шығыны П₁ =1,5%(масс.);

Төменмолекулалы полимерлер түзілуіне этилен шығыны П₂ =2%(масс.);

Жаңа этилен құрамы,%(масс.): х_СН4 = 0,2; х_С2Н4 = 99,5; х_С2Н6 = 0,3;

Циркуляцияланатын этилендегі этилен құрамы у=0,98;

Катализаторлар шығымы: триэтилалюминий (ТЭА), а_ТЭА =0,4; тетрахлоридтитан (TiCl₄) a_TiCl4 =0,6;

Реакторға 1%-ды бензиндегі катализатор ерітіндісі беріледі; бензиннің катализаторлы пульпадағы полиэтилен концентрациясы с_п = 130 кг/м³; бензин еріткіш ретінде қолданылады, бензин тығыздығы ρ₄²⁰ =0,7;

Реактордағы қысым Р = 0,35МПа.

Әдістемелік ұсыныстар

1. Полиэтилен бойынша қондырғының сағаттық өнімділігін анықтау керек (кг/с):

G_пэ^ч = G_пэ^г ·1000/Z;

Шығынды ескере отырып: ^/G_пэ^ч = G_пэ^г ·1000/Z·(1+ П₁/100) яғни полиэтилен шығыны ^/G_пэ^ч - G_пэ^ч;

2.Сосын төменмолекулалы полиэтилен мөлшерін анықтау керек:

G_{пэ низкомол.} = G_пэ^ч · П₂/100;

Реакцияға кеткен этилен шығыны: А_эт = ^/G_пэ^ч + G_{пэ низкомол.}

Үрлеген газдар мөлшері: G_ог = А_эт (1-х)/(х-у);

Үрлеген этилен мөлшері: G_оэ = G_ог· у;

Үрлеген қоспа мөлшері: G_оп = G_ог - G_оэ;

Жаңа этилен мөлшері: G_эт^св = А + G_оэ·у /х;

100%-ды этилен мөлшері: G_эт(100%) = G_эт^св ·х;

Түскен қоспа мөлшері: G_{примесей} = G_эт^св (1-х);

TiCl₄ жұмсалуы G_TiCl4 = ^/G_пэ^ч · a_TiCl4 /100;

ТЭА жұмсалуы G_TЭА = ^/G_пэ^ч · а_ТЭА /100;

TiCl₄ мен ТЭА ерітінділері мөлшері: G _TiCl4^{раствор} = G_TiCl4 ·100/1;

G _ТЭА ^{раствор} = G_TЭА·100/1;

TiCl₄ ерітіндісіндегі бензин мөлшері: G_бензин ^TiCl4 = G _TiCl4^{ерітінді} - G_TiCl4;

Ерітіндідегі ТЭА: G_бензин ^ТЭА = G _ТЭА ^{ерітінді} - G_TЭА ; осылайша катализаторлық ерітіндідегі бензин мөлшері G_{кат-ғы бензин} = G_бензин ^TiCl4 + G_бензин ^ТЭА;

Бензин жұмсалуы: G_бензин = ^/G_пэ^ч · ρ₄²⁰ _бензин / с_п.

Материалдық баланс құру:

Кіріс	Кг/с	Шығыс	Кг/с
100%-ды этилен		Полиэтилен (пэ)
қоспалар		Төменмолекулалы.пэ
Бензин (еріткіш)		Үрлеген этилен
TiCl4		Үрлеген қоспалар
ТЭА		бензин
Катализаторлық ерітіндідегі бензин		катализатор
		шығындар
барлығы		барлығы

Негізгі әдебиет 7 [42-51]

Қосымша әдебиет 4 [32-39]

Бақылау сұрақтары:

1. Төмен қысымды этиленнің полимерленуінің реакторының материалдық балансын құруды үйреніңіз.

№10 тәжірибелік сабақ. Полимерлердің реологиялық және технологиялық сипаттамалары. Тұтқыр сұйықтар.

Тапсырмалар:

1. Ньютондық сұйықтықтар.

2. Дилатанттық сұйықтықтар.

3. Созымдылықты сұйықтықтар.

4. Қысым.

Әдістемелік ұсыныстар

Тұтқыр сұйықтарға әсер етуші күшке байланысты ағу жылдамдығы төрт түрге бөлінеді: ньютондық, тұтқыр созымды, дилатанттық және нашар.

1.Ньютон сұйықтықтары қозғалыс қысымы ағу жылдамдығының тура пропорционалдық байланысымен сипатталады.

Сурет 40 - Әр түрлі сұйықтықтардың ағу жылдамдығының қозғалыс қысымына (а) және тұтқырлыққа байланысы (б). 1-тұтқыр созымды (Шведов-Бингам үлгісі); 2-созымды сұйықтықтар; 3-ньютондық сұйықтықтар; 4-дилатанттық сұйықтықтар.

Ньютондық сұйықтықтарға молекулалық массасы аз сұйық заттар жатады (мысалы, су). Олардың тұтқырлығының диссипативтік қуаты ағу жылдамдығына емес, ұсақ молекулалардың соқтығысуына байланысты.

Тұтқыр созымды сұйықтықтар – бұл Шведов-Бингам үлгілері. Бұл заттардың ерекшелігі шекті қысым (ι^˜_Т) пайда болмай, ағу басталмайды. (40-суреттің 1-сызығы). Себебі, серпімді денелер сияқты тұтқыр созымды сұйықтықтарда кеңістіктік құрылым пайда болып, ағуға мүмкіндік бермейді. Сырттан берілетін қысым күшейген кезде кеңістіктік қүрылымдар бұзылып, ағу басталады, ал қысым тоқтаса белгілі бір уақыттан соң, сұйықтықтар қозғалыссыз жағдайға келіп жаңа кеңістіктік құрылымдар пайда болады. Мұндай заттарға бұрғылау ерітінділері және май, сырлар жатады. Мысалы қабырғаға жағатын сыр қою болса, оның тұтқырлығы салмағынан артық болып, қабырғадан ақпайды. Ал сыр сұйық болса, тұтқырлығы салмағынан азайып, қабырғадан ағып, тамшылап тұрады.

2. Бұл заттардың ағу жылдамдығы тұтқырлығына тура пропорционал. Суреттен (40-суреттің 4-сызығы) ағу жылдамдығының күшеюіне байланысты жанап өтетін сызықтың көлбеу бұрышы да көбейгендігін байқауға болады.

Ағу жылдамдаған сайын өзара қысымның көбеюі ағу жылдамдығынан арта бастайды. Рейнольде ағымның бұл түрін құрамында қатты заттары бар суспензиядан тапты. Қысым аз кезде сұйықтықтар қатты заттармен араласып майлы зат түрінде жүреді. Ал қысым көбейген сайын, тығыз орналасқан қатты заттар ыдырай бастайды да, материалдың жалпы көлемі ұлғаяды. Бұрынғы сұйықтықтар майлауға жеткіліксіз, соның әсерінен қысым ағу жылдамдығынан едәуір жоғарылап, жалпы тұтқырлықты көбейтеді.

3. Бұл заттардың ағу жылдамдығы артқан сайын тұтқырлығы кемиді. (40-сурет, 2-сызық.) Мұндай заттардың ағу жылдамдығына қарағанда жай өседі. Бұл жағдай созымды сұйықтықтардың құрамында көлемі әр түрлі қатты заттардың ағу бағытын алуына байланысты. Сұйықтықтың құрамындағы барлық заттар бағыт алғанша тұтқырлық азаяды, содан соң бір қалыпқа келіп, ағу жылдамдығы ағу қысымымен бірқалыпты байланысады. Осы қасиет ерітілген және балқытылған коптеген полимерлерге тән. Бірақ олардың тұтқырлығы макромолекулаларының құрамына және құрылысына байланысты болады.

Осы жағдайларды түсіну үшін төмендегі тақырыптарды мұқият зерттеуіміз керек.

Кез келген заттың реологиялық қасиеттерге серпімділік, иілгіштік, тұтқырлық және беріктік жатады. Әсер етуші күштің салмағына, жылдамдығына байланысты әрбір зат (мысалы, каучук) бір жағдайда серпімді дене сияқты, (жылдам күш түсіргенде), екінші жағдайда иілімді дене сияқты болады (жай күш түсіргенде).

Дене бөлшектерінің өзара қозғалысының тұтастығын бұзуын деформация дейміз. Ол екі түрлі болады:

а) серпімді (күшпен әсер еткен соң бастапқы қалпына қайта келуі);

б) қалдық - (бастапқы қалпына келмеуі). Қалдық деформация дененің тұтастығын бұзбайтын иілімділік деп те аталады.

Қатты заттардың деформациясын негізгі бес түрлі типке жинақтауға болады: созылу, қысылу, жылжу, майысу және иілу.

Созылу салыстырмалы созымдылықтың мөлшерімен сипатталады:

𝓔 = = (%) (1)

бұл жерде: l₀ – созылғанға дейінгі дененің ұзындығы;

l – созылғаннан кейінгі дененің ұзындығы;

Δl – абсолютті созылуы.

Ығысып деформациялану салыстырмалы ығысудың (Ɣ) мөлшерімен белгіленеді. Ол ығысу бұрышының (α) тангенсіне тең. Бір қалыпты ығысқан денеде Ɣ барлық нүктеде бірдей болады.

Қабысу да созылу сияқты, салыстырмалы қысымның мөлшерімен сипатталады. Қабысу дегеніміз созылумен бірдей. Мұндай созылу салыстырмалы қабысумен өлшенеді

𝓔q = = (%) (2)

бұл жерде: d₀ – деформацияға дейінгі көлемі;

d – деформациядан кейінгі көлемі.

- M – қысымның коэфициенті (Пуассон коэфициенті).

Аз қабысқанда деформациялану қысымға пропорционал болады. Сонда

бұл жерде: τ – қысым;

- салыстырмалы созылу

E – тұрақты шама түр өзгертуге қарама қарсылықты сипаттайды (Юнгтің модулі).

Сұйықтықтар мен газдар қатты заттарға қарағанда өздерінің жылжымалылығымен ерекшеленеді. Қысымның айырмашылығына байланысты олар жылжиды, ағады. Ағу – деформацияланудың бір түрі болып есептеледі. Қалыпты жағдайда сұйықтықтардың тығыздығы мен сығылуы өзгермейді.

Тұтқырлық – сұйықтықтардың ағу мүмкіншілігін азайтатын қасиеті. Ол былай өрнектеледі: r = (3)

Бұл теңдік Ньютонның заңы ретінде белгілі сондықтан бұл заңға бағынатын сұйықтықтар Ньютондық сұйықтықтар деп белгіленіп, тұтқырлыққа қарама – қарсы шама деп аталады. J=

4. Денеге әсер ететін күштер екі топқа бөлінеді:

а) ішкі күштер – денені құрайтын бөлшектердің өзара бір – біріне әрекеті.

б) сыртқы күштер – зерттелетін затқа айналадағы денелердің әрекеті.

Сыртқы күштердің әсерінен денелер қалпын және көлемін өзгертеді, бір сөзбен айтқанда деформацияланады.

Сырттан берілетін күштің салыстырмалы әсері қысым деп аталады.

Қысым дененің бүкіл көлеміне берілсе, оны кернеу деп атайды. Сондықтан механикалық қысым кернеудің мөлшерімен өлшенеді.

Ал ығысу реологияда денеге берілген күшке қарсылық. Сұйық заттардың ағуы өз орнына қайтып келмейтін молекулалардың немесе топталған молекулалардың салыстырмалы қозғалысына байланысты, яғни қабатталған заттың бір – біріне салыстырмалы ығысуы деп түсінуге болады.

Сурет 41. Жай жылудың көрінісі

Дене деформацияланғанда дененің пішіні өзгергенмен, жалпы көлемі өзгермейді. Бұл жағдайда полимерлердің реологиялық қасиеттерінің ерекшеліктері байқалады.

Жанама күштің (F) есебінен жоғарыда ΔS- көбірек ығысатын жазықтық мөлшері екі шамамен сипатталады.

ψ = = tgα τ =

бұл жерде: ΔS – жоғары жазықтықтың ығысу ұзақтығы;

H – призманың биіктігі;

S – призманың табанының көлемі.

Абсолютті серпімді денелердің ығысу деформациясы Гук заңымен өрнектеледі: ψ = ; G – ығысу үлгісі немесе дененің серпімділік мөлшері.

Гук заңына бағынатын денелер түзу сызықты болып келеді және қиылысқан жерінен басталып, бұрыштық коэффициентке () тең болады. Бірден күш түсірген кезде тұтқыр сұйықтықтар қатты заттар сияқты қасиет көрсетеді, ал күшті біртіндеп түсіргенде, релаксацияланып үлгереді, яғни сұйық зат қалпын сақтайды.

Ньютон сұйықтығының (r-өзгермейді), ерітілген полимерлердің көпшілігінің тұтқырлығы бірқалыпты (жылу қалыпты болғанда) болмай, жылжу қысымға байланысты деформацияға ұшырайды. Полимерді өңдеген кезде жылжу қысымы көп мөлшерде өзгереді, соған байланысты ағудың қисық сызығы екі есе логарифмделген (lgg - lgt) координатта көрсетіледі. Ағудың қисық сызығынан өзгеше үш кесіндіні көруге болады:

I. Ньютон заңына бағынатын ағу (ең үлкен Ньютондық тұтқырлық (t<t_o=r_е.у.н). Бұл буынға мына теңдік сәйкес келеді:

lgg = lgt - lgr_е.у.н (4)

Түзу сызықты бұл кесіндінің бұрыштық коэффициенті былай табылады:

p=dlgg/dlgt (5)

Сурет 42. Ағудың қисық көрінісі.

Бұл коэффициентті ағу индексі деп атайды және сан мәні 1-ге тең болады. Онда, g=1 болса, lgg=0, lgr=lgt, t_o<t<t₁

II. Ығысу қысымы көбейгенде еріген полимерлер әдеттен тыс тұтқырлана бастайды. Ньютон заңымен сипатталмайтын бұл кесінді құрылым тарауы деп аталады. Құрылым тарауының әр нүктесін Ньютон заңына жатқызу үшін құрылым тарауының әр нүктесінен координат төбесіне түзу сызық жүргізу керек. Осы сызықтан пайда болған бұрыштың котангенсі тұтқырлық коэффициенті болып табылады. Бұл коэффициенттер нүктеде өзгеріп отырады.

Жүргізген сызықтың g мен t байланысының түзу сызыққа жатпайтынын дәлелдейтін функция енгізу керек. Мұндай функция эффективті тұтқырлық болып саналады:

g= t /r_о(t) (6)

Кейде бұл (r_о(t)) баламалы тұтқырлық деп те аталады.

Қысым (t) көбейгенде тұтқырлықтың мүлде азаюы осы кесіндідегі полимер құрылымының өзгеруіне (көбінесе бұзылуына) байланысты. Қисық сызықтың әр нүктесі полимер құрылымының бұзылуы мен қайта қалыптасуының динамикалық теңдігін көрстеді.

III. Өте қатты ығысу қысымы берілген кезде (t >t₁) полимерлердің ерітінділерінде Ньютондық тұтқырлығы өзгермейтін ағу пайда болады. Оны Ньютонның ең аз тұтқырлығы деп атайды. Бұл жағдай да полимер құрылымының толық бұзылуымен, әр макромолекуланың, сондай-ақ топталған макромолекула бөлшектерінің ағуымен сипатталады.

Ерітілген полимерлердің қисық сызығының математикалық сипаты

Қисық сызықтың құрылымын өте дәл сипаттауға байланысты дәрежелі заңды көп жерде пайдалануға болады.

g= к×t ⁿ (7)

Бұл жерде: к – сұйық заттың қоюлығының шамасы қаншалықты қою болса, к-нің мәні соншалықты төмен болады. lgg пен lgt байланысы түзу болса, онда дәрежелік заң пайдаланылатынын айта кеткен жөн.

Мұның алдындағы көрсетілген (25) формуланы логарифмдеген кезде мынадай теңдік шығады:

lgg = n lgt + lgк (8)

Негізгі әдебиет 7 [42-51]

Қосымша әдебиет 4 [32-39]

Бақылау сұрақтары:

1. Ньютондық сұйықтықтар туралы түсінік.

2. Дилатанттық сұйықтықтар деген не?

3. Созымдылықты сұйықтықтар деген не?

4. Қысым.

5. Тұтқырлық коэффициенті.

6. Құрылым тарауы.

7. Ньютонның ең аз тұтқырлығы.

№11 тәжірибелік сабақ. Өңдеу процесінің негізгі параметрлерінің полимерлер тұтқырлығына әсері.

Тапсырмалар:

1. Полимерлік жүйе тұтқырлығына жылудың әсері.

2. Полимерлердің тұтқырлығына қысымның әсері.

3. Полимерлердің күйін сипаттайтын теңдік.

4. Полимерлер тұтқырлығының ағу заңдылығы мен механизмі.

5. Тұтқыр сұйықтардың қозғалысы және вискозиметрияның негіздері.

Әдістемелік ұсыныстар

1. Полимердің тұтқырлығына жылудың әсері өте көп. Жылу артқанда молекулалардың өзара тартылыс күші азаяды, тұтқырлық кемиді. Сондықтан бұл қасиет Ньютондық сұйықтықтың ағуына тән қасиет. Бұл жерде оны r_е.у.н деп түсінеміз. Сонда, тұтқырлықтың жылумен байланысы С.Аррениустің теңдігімен табылады:

r_е.у.н = А×1 Е/ RТ (1)

бұл жерде: А – полимердің табиғатына байланысты коэффициент;

R – универсалды тұрақты сан, R=1,98 ккал/моль;

Т – абсолюттік жылу;

Е – тұтқырлы ағудың активті қуаты (әр түрлі полимерлерде 6-дан 35 ккал/моль-ге дейін өзгеріп тұрады). Теңдікті логарифмдейміз

lnr_е.у.н = Е/RТ + lnА (2)

Бұл теңдікте жылудың айырмашылығы 30-40^оС, ал егер жылудың өзгерісі бұдан едәуір көп болса, мынадай теңдеу пайдаланылады:

r = а×е^-ВТ (3)

бұл жерде: ''а'' мен ''в'' – эмпериялық тұрақтылар.

2. Өңдеу кезінде полимерлер ерітінділерінің реологиялық қасиеттеріне қысым өте күшті әсер етеді. Бұл қысымның полимерлер тұтқырлығына әсері пъезоэффект деп аталады. Әдеттегідей қысым шамасы артқанда тұтқырлық өсе бастайды, себебі атом ара қашықтықтары кеміп, молекулалардың өзара тартылыс күші артады. Мұндай жағдай аморфты полимерлерде кристалды полимерге қарағанда жақсы байқалады.

Ал қысымның (r_е.у.н) әсерін мынадай теңдеуден байқауға болады.

rp₁/rp₂=t^o ßρ(P₁-P₂) (4)

бұл жерде: rp₁ және rp₂ – ерітілген полимерлердің, P₁ және P₂ қысым кезіндегі тұтқырлығы (P₁>P₂), ßρ - тұтқырлықтың пъезометрикалық коэффициенті.

Керу артқан сайын тығыздық (ρ) та артады, ал температура артса (t^o) тығыздық кемиді.

Полимерлердің өңдеу барысында тұтқырлығы төмен қысым шамасын пайдаланған тиімді болып келеді.

3. Бұл теңдік көлем, температура және керу шамаларын өзара байланыстырады. Теңдік атақты Ван-дер-Ваальстің газдардың күйін сипаттайтын теңдігіне ұқсас.

(V-B)(P+p_i)=RT/M (5)

Бұл жерде: V – полимердің меншікті көлемі;

М – молекулалық массасы;

Р – қысым;

p_i және ''в ''- эмпириялық константалар;

R – газдың универсалды тұрақтысы.

4. Ерітілген полимерлердің тұтқырлық ағысының пәрменді қуаты онша үлкен емес, не бары 6-10 ккал/моль. Негізінде, ерітілген полимерлердің ағысы – полимер тізбегіндегі бөлшектердің қозғалысы. Ерітілген полимерлер аққан кезде релаксациялық әрекеттер жүзеге асады. Сырттан берілетін қысым, уақыт және жылу бір-бірімен байланысып, ағу барысын анықтайды. Бұл жағдайда физикалық ағу пайдаланылады. Жылуды азайтса (онда, уақыт ұзарады) макромолекулалардың бөлшектері ағу бағытына қарай қозғала бастайды, бірақ макромолекулалардың химиялық құрамы өзгермейді. Мұндай ағу түзу сызықты полимерлерге тән.

Полимерлердің негізгі ағуының екінші түрі химиялық ағу. Ол екі түрлі өтеді:

а) төмендегі температурада, сырттан берілген күшті қысымның әсерінен полимерлерде бөлшектердің үздіксіз ажырауы және жаңадан қосылу әрекеті өтеді. Бұл механизмді В.Е.Каргин мен Слонимский ұсынған.

ә) жоғары температураның әсерінен полимерлерде химиялық реакциялар өтіп, үздіксіз қайта құру және құрылым өзгерулері байқалады. Бұл механизмді Б.А.Дщгадкин ұсынған. Химиялық ағу түзу сызықты және кеңістік құрылымды полимерлерге тән.

5. Пуазейль ағысы (дөңгелек құбырларда температурасы өзгермейтін сұйықтықтардың ағысының математикалық үлгісі).

Сурет 43. Тұтқыр сұйықтықтың Пуазейлше ағуы.

Барлық сұйық заттар тұтқыр болады. Ол тұтқыр сұйықтардың ағуы кезінде байқалады. Сондықтан түзу дөңгелек құбырдағы екі жақты қысымның әсерінен ағатын тұтқыр сұйықтықтың қозғалысын зерттейміз.

Ағып жатқан сұйықтықтан элементті (цилиндрді) бөліп аламыз. Оның ұзындығы 1-ге, радиусы r-ге тең. Екі жағындағы қысымның мөлшері DP=P₁-P₂ (берілген P₁ > P₂). Осы цилиндрдің екі жақтық күшін теңестіргенде мынадай жағдайды ескеру қажет. Х осіне қарай цилиндрді ығыстыратын күш (Dpr²) көлемге әсер ететін күшке тең Dpr1.

Цилиндрдің еркін қозғалуына кедергі жасайтын күш ығысу қысымына (τ), сыртқы жазықтыққа (2pr1) әсер ететін күшке тең (τ - 2pr1).

Бұл күш ағуға қарама-қарсы болғандықтан, формуланың алдына (-) белгісін қоямыз. Сұйықтық ағу үшін осы екі күш тең болу керек немесе

Dpr²= -τ2pr1 (6)

онда τ= - r∙DР/21 (7)

Бұл теңдік ағып тұрған сұйықтықтың ішінде ығысу қысымының өзгеріп тұратындығын көрсетеді. Құбыр ортасында ол 0-ге тең, ал құбырдың қабырғасында ең жоғары шекке тең (13- сурет).

Осы үлгіні пайдаланып біз енді ерітілген полимерлердің Пуазейлше аққанын тексерейік. Қисық сызықтың құрылым тарауы мына формуламен өрнектеледі(g=к∙rⁿ). Математикалық жолмен өрнектеу үшін 33-ті 25-формулаға қойып (бірақ g -ні ығысу жылдамдығына өзгертеміз g=dU/dr) табамыз.

(8)

Дифференциалды теңдіктің өзгеретін мәндері

(9)

интегралды өзгерістер енгізгеннен кейін,

(10)

Интегралды өзгермейтін С қабысу шартынан табамыз, яғни Z=R, V=0. Сонда,

(11)

(12)

Бұл параболаның теңдігі (n+1) дәрежесінде. Мұнда –ді ағу индексі деп атайды.

Жылдамдықтың таралуы 14-суреттегі эпюрамен белгіленеді.

Сурет 44. Ерітілген полимердің ағу жылдамдығының таралу эпюрасы.

Бұл жерде n+1 болғанда, эпюра парабола түрінде болады; яғни бұл Ньютондық сұйықтықтардың ағуын сипаттайды. Ал ''n'' дәрежесі өсе бастаған сайын парабола өзгеріп, n-6 болған кезде ағу ''тығын'' тәрізді күйге келеді.

Ерітілген полимердің жұмсалу көлемін былай табады. Параболаның көлемі белгілі уақытта ағып өткен сұйықтықтың мөлшеріне байланысты, оның тұтыну көлемі Пуазейль заңымен табылады:

(13) (14)

Бұл (40) - Рабиновиг-Вайсенбергтің капиллярлы вискозиметрияға арналған негізгі теңдігі болып табылады

(15)

к∙τⁿ_сm – капилярдың қабырғасындағы ығысу жылдамдығы деп белгіленсе (дәрежелі заңға байланысты), онда мынадай теңдік шығады

(16)

Негізгі әдебиет 7 [42-51]

Қосымша әдебиет 4 [32-39]

Бақылау сұрақтары:

1. Полимерлік жүйе тұтқырлығына жылудың әсері қандай?

2. Полимерлердің тұтқырлығына қысымның әсері қандай?

3. Полимерлердің күйін сипаттайтын теңдік.

4. Полимерлер тұтқырлығының ағу заңдылығы мен механизмі.

5. Тұтқыр сұйықтардың қозғалысы және вискозиметрияның негіздері.

№12 тәжірибелік сабақ. Экструзия процесі бойынша құбырлық бұйымдар дайындау. Полимердің шнек пен цилиндрдің арасындағы қозғалысы. Полимердің қалыпқа өтуі.

Тапсырмалар:

1. Пластмассаларды өңдеу әдістерін топтастыру

2. Араластыру.

3. Полимерлерден экструзия процесі арқылы бұйымдар алу

4. Полимердің шнек пен цилиндрдің арасындағы қозғалысы

5. Полимердің қалыпқа өтуі.

6. Экструзия процесі. Экструдердің негізгі қызметі.

Әдістемелік ұсыныстар

1. Пластмассаларды өңдеу шеңберіне мынадай негізгі бағыттар жатады: өңдеудің үйлесімді әдісін табу; табылған өңдеу әдісіне лайықты полимерлердің құрамын дайындау; табылған материалды өңдеуге әзірлеу (таблетка жасау, ұнтақтау, т.б.); шығаратын бұйымдарды және оны қалыптайтын құралдарын жобалау; өңделетін бұйымдардың пайдалы қасиеттерін енгізу және оларға әдемі пішін беру.

Пластмассаларды өңдеу әдістерін таңдағанда олардың бастапқы қасиеттерін пайдалана отырып, мынадай реттеу жүргізу қажет: 1. Негізгі молекулалық қосындысы көп материалдарды өңдеу:

а) жылыту арқылы жабысқақ ағымды полимерді қалыптау ( экструзия, қысым арқылы құю, престеу, т.б.);

ә) жоғары иілімді полимерлерді қалыптау. Бұл өңдеуге полимерлер қабықша немесе табақ түрінде қолданылады, каландрлау, штамптау, т.б.);

б) қатты(кристалды немесе аморфты) күйдегі полимерлерді қалыптау (кесу немесе жону);

в) жоғары созымды полимерлерді қалыптау (волоктардың арасында өткізілетін жұқарту, құбырларды шығару).

г) полимерлерді ерітілген немесе батырылған күйінде қалыптау(құю, батыру, айналым арқылы қалыптау);

2. Олигомерлерді реактпласт түріне өткізіп өңдеу, қысым арқылы құю, сығу (престеу), қысымсыз құю, ірі бұйымдарды жасау, т.б.

3. мономерлерден бұйым жасау (қалыпқа қысымсыз құю, органикалық шыны жасау).

2. Араластыру – технологиялық әдіс, полимерлердің қасиеттерін өзгерту үшін қосынды заттарды енгізу. Бұйымдарды шығару алдында полимерлерге көптеген қосынды заттарды енгізеді. Олар бояулар, стаблизаторлар, пластификаторлар, көпірткіштер және басқа заттар. Араластырудың негізгі мақсаты – полимерлердің қосындыларын біркелкі үйлестіру. Араластыру бірнеше сатыға бөлінеді. Алдымен ірі заттарды үйлестіру жүреді – ұнтақталған заттар өзара немесе қатты заттар сұйық затпен араласады. Келесі сатыда араластыру сұйық заттар дәрежесінде өтеді.

Араластыру арқылы үйлестіру сапалы өтеді, сондай-ақ араластырып жатқан заттарда физикалық (еру мен ерітілу) және химиялық реакциялар жүреді (қатайтқыш пен полимер араласады).

Араласатын заттардың негізгі күйіне қарай араластыру әдістерін мынадай топтарға бөлуге болады:

1. Ұнтақ заттарды араластыру;

2. Ұнтақ заттар мен сұйық заттарды механикалық жолмен араластыру;

3. Сұйық заттарды молекулалық диффузиялық және механикалық жолмен араластыру;

4. Тұтқыр полимерлерді механикалық араластыру.

Араластыру үздіксіз немесе мерзімді түрде өтуі мүмкін.

Ұнтақ заттарды араластыру. Бұл әдісті боялмаған полимерге қолданады. Кейбір кезде ұнтақталған полимерлерге бояудың ұнтағын қосады, бірақ көбінесе боялған полимерді боялмаған полимерге араластырады. Сондай-ақ полимерге бұрын пайдаланылған полимерлердің қалдықтарын қосады.

Ұнтақ заттар мен сұйық заттарды араластыру. Сұйық заттар ретінде пластификаторлар, стаблизаторлар, еріткіш және бояулар пайдаланылады. Араласу өткен кезде материалдар бір-біріне жабысып қалмас үшін жабдықтың сыртқы қабырғасында жақын қалдықтар орналастырылады. Араластыруды жеңілдету үшін заттарды алдын-ала жылытуға болады.

3. Экструзия дегеніміз полимерлер ерітінділерін белгілі бір қалыпта сығып шығару. Алынған бұйымды салқындату қысымды шнек арқылы жүзеге асады. Экструдердің негізгі қызыметі цилиндрдегі полимерді шығуға қарай қозғап, оны ерітіп, біртекті масса алу және гидростатикалақ қысым тудыру. Осы әдіс арқылы термопластты полимерлерден (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, поликарбонаттар, т.б.) құбырларды,жұқа қабыршақтарды,тор және әр түрлі пішінді бұйымдарды алады. Үздіксіз өндіруді қажет ететін бұйымдар үшін бұл ең тиімді әдіс. Себебі жұмсалатын еңбек күші, энергия қуаты және уақыт өте аз.

Экструзия арқылы бұйымдар алған кезде полимерлерді физикалық және химиялық әрекеттерден өткізеді. Физикалық әрекеттерге – қатты күйден ерітіндіге немесе газға өту құбылыстары жатады. Ал температураның және қысымның әсерінен полимерлердің бұзылуы – химиялық әрекет. Бұған себеп болатын өте жоғары температуралар және жұмыс істеп тұрған құралдардағы жоғары ығысу қысымы. Белгіленген технологиялық шарттар орындаоғанда бұл жарамсыз әрекеттерді мүлдем азайтып немесе жойып жіберуге болады.

Экструзия процесінде жұмыс тартібіне және цилиндрдің ішіндегі полимердің физикалық күйіне байланысты үш жұмыс көлемі бар: тиеу, еріту және дозалау.

Тиеу көлемі – полимерді тиейтін тесіктен цилиндр немесе шнек үстіндегі еру нәтижесіне дейінгі аралығы.

Дозалау көлемі толық еріген полимерді мұқият араластырып, бір қалыпты температурада біртекті массаға айналдырумен есептеледі.

Экструзия әрекетінің басты мәселесі – полимердің жоғарыда көрсетілген ұш жұмыс көлемінен өтуі.

4. Полимердің бұл қозғалыстары әр түрлі жағдайда өтеді. Ол полимердің күйіне байланысты болады. Шанаққа түскен полимерді шнекпен іліп алады және оның қозғалту жылдамдығы экструзия әрекетінің өнімділігіне байланысты. Экструзиялық құралдың негізгі көлемі қатты материалдан тұрады. Полимердің толық еруі тор алдында аяқталады. Тордан өткеннен кейін негізгі полимер біртекті массаға айналады.

Осы тұрғыдан қарағанда, полимердің шнекпен қозғалуын қатты заттың қозғалуы деп қарастырып, тиеу жұмысының көлемін заңдылықтармен есептейміз.

Полимерді тиелген көлемінде жылжыту үшін мына шарт орындалу керек:

(1)

q – полимердің салмағы; - цилиндрдің бетіне полимердің қажалу коэффициенті.

Сурет 45. Экструдер.

Сурет 46. Шнек.

5. Қалыптау құралына толық еріген және біртекті массаға айналған полимерлер түседі. Құрал мен берілген полимердің температурасы әр түрлі болғандықтан, оның тұтқырлығы және ағу бағыты өзгереді. Осыны ескере отырып, құралдан өтетін полимердің көлемі шнекпен берілетін көлемге тең деп есептеп, машинаның өнім шығару мөлшерін мына теңдікпен белгілеуге болады (2)

бұл жерде: К – құралдың полимер ағуына қарсылық білдіретін константасы; Р – шнектегі соңғы қысым; r – тұтқырлықтың орта мәні.

Әр түрлі құрал константаларының мөлшерін мынадай формулалар арқылы білеміз:

6. Экструзия дегеніміз полимерлер ерітінділерін белгілі бір қалыпта сығып шығару. Алынған бұйымды салқындату қысымды шнек арқылы жүзеге асады. Экструдердің негізгі қызметі цилиндрдегі полимерді шығуға қарай қозғап, оны ерітіп, біртекті масса алу және нидростатикалық қысым тудыру. Осы әдіс арқылы термопласты полимерлерден (полиэтилен, полистирол, поливинилхлорид, поликарбонаттар, т.б.) құбырларды, жұқа қабықшаларды, тор және әр түрлі пішінді бұйымдарды алады. Үздіксіз өндіруді қажет ететін бұйымдар үшін бұл ең тиімді әдіс. Себебі жұмсалатын еңбек күші, энергия қуаты және уақыт өте аз.

Экструзия арқылы бұйымдар алған кезде полимерлерді физикалық және химиялық әрекеттерден өткізеді. Физикалық әрекеттерге – қатты күйден ерітіндіге немесе газға өту құбылыстары жатады. Ал темпертаураның және қысымның әсерінен полимерлердің бұзылуы – химиялық әрекет. Бұған себеп болатын өте жоғары температуралар және жұмыс істеп тұрғанқұралдардағы жоғары ығысу қысымы. Белгіленген технологиялық шарттар орындалғанда бұл жарамсыз әрекеттерді мүлдем азайтып немесе жойып жіберуге болады.

Экструзия процесінде жұмыс тәртібіне және цилиндрдің ішіндегі полимердің физикалық күйіне байланысты үш жұмыс көлемі бар: тиеу, еріту, дозалау.

Тиеу көлемі – полимерді тиейтін тесіктен цилиндр немесе шнек үстіндегі еру дәрежесіне дейінгі аралық.

Еріту көлемі – полимердің жаңа ери бастаған жерінен толық еріген жерге дейінгі аралығы.

Дозалау көлемі толық еріген полимерді мұқият араластырып, бір қалыпты температурада біртекті массаға айналдарумен есептеледі.

Сурет 47. Экструзия процесін өткізетін құрал. 1 – цилиндр; 2 – шанақ; 3 – жылу берілетін қуыстар; 4 – шнек; I – тиеу көлемі; II – еріту көлемі; III – дозалау көлемі.

Экструзия әрекетінің басты мәселесі – полимердің жоғарыда көрсетілген үш жұмыс көлемінен өтуі.

7. Полимердің бұл қозғалыстары әр түрлі жағдайда өтеді. Ол полимердің күйіне байланысты болады. Шанаққа түскен полимерді шнекпен іліп алады және оның қозғалту жылдамдығы экструзия әрекетінің өнімділігіне байланысты. Экструзиялық құралдың негізгі көлеміқатты материалдан тұрады. Полимердің толық еруі тор алдында аяқталады. Тордан өткеннен кейін негізгі полимер біртекті массаға айналады.

Осы тұрғыдан қарағанда, полимердің шнекпен қозғалуын қатты заттыңқозғалуы деп қарастырып, тиеу жұмысының көлемін заңдылықтармен есептейміз. Полимерді тиелген көлемінде жылжыту үшін мына шарт орындалу керек:

F₃= q·µ_ц (3)

q – полимердің салмағы; µ_ц – цилиндрдің бетіне полимердің қажалу коэффициенті.

Жылжытуға әсер етуші күшті бөлейік:

F₂ – шнектің бетіне перпендикуляр түсетін күш және F₁ – осы бетке жанасып өтетін күш (31-сурет).

Сурет 48. Полимерді тиеу көлеміндегі күштердің әсері.

Бұл жағдайда: F₂ = F₃·cos β (4)

F₁ = F₂· µ_ш (5)

Бұл жержегі µ_ш – полимердің шнекті қажалу коэффициенті. Осы шарт орындалса, полимер цилиндрдің бетімен F₃ күштің бағытымен қозғалады.

Шнектің белгілі бағытымен полимерді қозғалтатын күш - F_δ.

F_δ = F₂cos φ – F₁sin φ= qµ_ц·cos β(cos φ- µ_цsin φ) (6)

tg β= µ_ш тең болғаннан кейін арқылы µ_ш-ті cos β белгілейді.

(7)

Жалпы полимерді шнектің күшімен ығыстыру үшін мынадай шарт орындалу керек:

(8)

Полимердің алға ығысу көлемі көп болу үшін F_δ, немесе µ_ц көлемі көп немесе және бұрышы аз болу керек.

Жоғарыда айтылғандардан мынадай қорытынды шығаруға болады:

1. µ_ц-ның көбеюі F_δ өны көбейтеді, сондықтан цилиндрдің ішкі бетіне сызықтарды ұзынынан енгізеді;

2. µ_ш ны азайту үшін шнектің сыртқы бетін хромдап жылтыратады және ішін суыту мақсатында салқын су жібереді.

Екінші жұмыс көлемінде полимер жартылай қатты, жартылай еріген күйде болады, сондықтан оның қозғалыс заңдарын шығару мүмкін емес.

Үшінші дозалау жұмысы көлемінде полимер толық ериді, сондықтан сұйықтардың ағу заңдарына бағынады. Алдын-ала бірнеше жорамал жасауға болады:

а) еріген полимер ньютондық сұйықтардың заңына бағынады;

ә) еріген полимер төртбұрышты түзу түтікпен (каналмен) ағады;

б) түтіктің бір беті екінші бетіне қарағанда, салыстырмалы жылдамдықпен қозғалады;

в) еріген полимердің тұтқырлығы шнекте өзгермейді.

Осы жорамалдарды емкере отырып, қозғалыстағы екі беттің арасыннанағатын тұтқыр сұйықтықтыңқимылын қарастырамыз.

Сурет 49. Бұрандалы шнектің түтіндегі қажау күштері векторларының орналасу сызбанұсқасы. h – шнектің ойығының биіктігі; S – цилиндрмен шнектің ойығының аралығы; l – шнектің ойығының кеңдігі; t – ойықтың қадамы; b – екі ойықтың аралығы; D – шнектің диаметрі.

Белгілі Навьенің тендігін пайдаланып, шнек ішіндегі полимер қозғалысының тендігін шығарамыз:

(9)

U – полимердің ығысу жылдамдығы; Р – шнек арқылы полимерге берілетін қысым.

Қысым шамасына х белдеуі мен жылдамдығы әсер етпейтіндіктен тең деп, жоғарыдағы теңдеуді мынадай түрге келтіреміз:

(10)

Осы формуланы интегралдап шнектің шарттарын қойып мынадай теңдікті шығарамыз:

(11)

1-жалпы ағымның жылдамжығы; 2-ығысу ағымы; 3-қысымға қарсы ағым.

Теңдіктің әр қосындысын эпюра арқылы көрсетуге болады.

Сурет 50. Екі бет арсындағы сұйықтықтың ығысу жылдамдығының эпюрасы. Q_e – еріксіз қозғалу мөлшері: Q_k – қысым арқылы қозғалудың мөлшері; Q – қимылдаудың жалпы қосынды мөлшері; a – екі бет арасындағы салыстырмалы қозғалыс; б – сұйық затқа берілетін қысым арқылы қозғалыс; д – қосынды қозғалыстың эпюрасы.

Жоғарыда көрсетілген теңдік (11) арқылы көлемді ағымның (немесе көлемді өнімнің) мөлшерін табуға болады:

(12)

Осы теңдіктегі белгілерді шнектің параметрлері арқылы көрсетсек, пайдалануға жеңіл, көлемді өнімнің мөлшерін табатын теңдік шығады:

(13)

N – шнектің айналу саны; r – тұтқырлық.

Бірақ бұл теңдік екі қозғалыс мөлшерін ескеріп отыр (Q_e және Q_k). Бірақ полимердің машина ішінде шнектің ойығы мен цилиндрдің арасынан ағып кетуі мүмкін. Бұл полимердің кеңдігінен (πD) және биіктігінің (δ) ұзындығының (l) тығыз тесікке қаншалықты сәйкес келуіне байланысты. Онда Q_а былай өрнектеледі:

(14)

Жалпы көлемді өнімнің мөлшері мынадай:

Q = Q_e – Q - Q_k - Q_а

Жоғарыдағы формулалардың ішінде қысымның айырмашылығы дифференциалды түрде берілген, бұл күнделікті есептеуге қолайсыз. Ал формулалардағы тұрақты мәндерді мына түрде белгілесек:

Көлемді өнімді былай пайдалансақ болады:

(15)

Әрине, бұл формула машинада өтетін әрекеттер үшін жарамсыз болғанымен, экструзия үшін маңызы зор.

3. Қалыптау құралына толық еріген және біртекті массаға айналған полимерлер түседі. Құрал мен берілген полимердің температурасы әр түрлі болғандықтан, оңның тұтқырлығы және ағу бвғвтв өзгереді. Осыны ескере отырап, құралдан өтетін полимердің көлемі шнекпен берілетін көлемге тең деп есептеп, машинаның өнім шығару мөлшерін мына теңдікпен белгілеуге болады.

(16)

Бұл жерде: К – құралдың полимер ағуына қарсылық білдіретін константасы:

Р – шнектегі соңғы қысымы;

r – тұтқырлықтың орта мәні.

Әр түрлі құрал константаларының мөлшерін мынадай формулалар арқылы білеміз:

Бұл кестеде: d – шыбық тәрізді өнім шығаратын құралдың диаметрі;

D_ор – сақина тәрізді теміктің, құбыр шығаруға арналған орташа диаметрі; S – тесіктің мөлшері; l – қалып беретін құралдың ұзындығы; b – саңылаудың кеңдігі.

Бұл формулалар құрал алдына тор қойылмаған кезде ғана дұрыс келеді. Ал тор қойылған жағдайда қосымша коэффициент қосу керек:

К = К_тор + К_құрам

Негізгі әдебиет 7 [55-61]

Қосымша әдебиет 4 [41-48]

Бақылау сұрақтары:

1. Экструзия процесі туралы мәлімет. Экструдердің негізгі қызметі қандай?

2. Полимердің шнек пен цилиндрдің арасындағы қозғалысы қалай жүзеге асады?

3. Полимердің қалыпқа өтуі қалай жүзеге асады?

№13 Тәжірибелік сабақ. Экструзия әрекетінің жылу балансы. Экструзия әрекетінің жалпы заңдары.

Тапсырмалар:

1. Экструзия әрекетінің жылу балансын құру.

2. Экструзия әрекетінің жалпы заңдары.

Әдістемелік ұсыныстар

Машина ішіндегі полимер сырттан берілетін (Е_ж) және шнек айналған кездегі қажаудан шығатын диссипативті жылу (Е_ш) арқылы қыздырылады.

Артық жылу машинадан шығатын полимермен (Е_м) және суытуға берілетін сумен (Е_с) машинаның айналасындағы ауамен (Е_а) шығарылады. Қорыта келгенде, бұл әрекеттің балансы мына теңдікпен өрнектеледі:

Е_ж + Е_ш = Е_м + Е_с + Е_а (1)

Осы теңдеудегі әр шаманың мәндерін де анықтауға болады. Сырттан жылытуға берілетін энергияның көлемі амперметр арқылы өлшенеді. Полимерге жұмсалатын жылуды мына формула арқылы есептейміз:

Е_н = Q·c(T_a - T_δ) (2)

Бұл жерде: - машинаның өнім қуаты; С – полимердің жылу сиымдылыға; T_a, T_δ – полимердің бастапқы және машинадан шығар кезіндегі температурасы.

Осындай жолмен салқындататын сумен кететін жылуды есептеуге болады.

Машинаның айналасындағы ауаға кететін жылуды есептеп алу өте қиын (Е_a).

Шнек арқылы келетін жылу (Е_ш) мынадай:φδ

(3)

бұл жерде: 1 – машина ішіндегі полимерді қозғалтуға жұмсалатын жұмыс қуаты; 2 – полимердің қозғалысқа қарсы күшінің қүаты; 3 – шнек пен цилиндр арасындағы саңылау арқылы қайта өтетін полимерге жұмсалатын қуат. (Қалған шамалардың мәндері 75 пен 78-формулаларда көрсетілген)

Жоғарыда көрсетілген теңдік арқылы мынадай қорытынды жасауға болады: шнектің аналымы көбейген сайын, жұмысқа пайдаланылатын қуат та пропорционалды көбейеді, ойықтың еңкею бұрышы (φ) азайған сайын, полимердің қызуы артады.

Формуланың екінші құрам бөлігінің мөлшері аз болса да, технологияда көп пайдаланылады. Бұл құрам бөліктің мөлшерін көбейту үшін сүзетін тордың санын көбейтеді.

Машинадан шығарылатвн өнім неғұрлым аз болса, сапасы соғұрлым жақсы блады.

Машинаның айналадағы ауаға кететін жылуын азайтудың жолы цилиндрдің сыртын қаптайды. Экструзия барысының тұрақтылығы – машинаның толық қыздырылып, барлық жағдайда температура бір қалыпты болуына байланысты. Осы жағдайдың белгісі - машинаға берілетін қуаттың бір қалыпты болуы. Экструзияның жылдамдығының өзгеріссіздігі де жақсы көрсеткіш.

2. Экструзия әрекетіндегі (P) қысым мен (Q) өнім арасындағы байланыстарды анықтайтын мәліметтер машинаның тиімді жұмыс істеу параметрлерін білуге өте қажет. Полимердің әр түрлі температурадағы тұтқырлығы және олардың реологиялық қасиеттері анық болса, жоғарыдағы айтылған байланыстарды айтуға болады. Бұл диаграмма әр түрлі қалып беретін құрал мен шнектердің байланысы арқылы, пайда болатын қысым (P) мен өнімнің (Q) мөлшерін көрсетеді.

Бұрын қаралған (1) формуланың

нәтижесі Р=0 болғанда, Q=0 болады, өзара қатынастары диаграммадағы сызықтардың еңкею бұрышы жоғары, яғни қалып беретін құралдың полимердің ағымына қарсылығы аз болады.

Сурет 51. Экструзиялық машинаны сипаттайтын диаграмма.

1. Полимердің ағуына аз күш жұмсайтын құрал; 2- полимердің ағуына көп күш жұмсайтын құрал; 3- терең ойықты шнек; 4- таяз ойықты шнек;

Диаграммадағы 3-4 түзулердің еңкею дәрежесін мына қатынастардан табуға болады:

P=0 болғанда, Q_max = 1/2π²D²NhsinP₁cosφ (4)

(5)

(6)

Шнек пен цилиндрдің ішкі бетінің арасындағы саңылаудың мөлшері (δ) өте аз болғандықтан, шнектің ойықтығына (h) қарай соңғы теңдіктің алымының екіншімүшесін (δ мағынасы үшінші дәрежелі) есепке алмауға болады.

Онда теңдік мына түрге ауысады:

(7)

Осы шамалардың қатынасы жоғары болса, диаграммадағы түзу тік болып шығады.

Дозалау мөлшеріндегі шнек ойықтығының тереңдігі машинаның өнім беруіне шешуші әсер етеді. Ал шнектің ұзындығы артса, түзулер көлбеу түсе бастайды, яғни қысымның тұрақты сақталуына мүмкіндік болады.

Диаграмманың негізгі қажеттілігі – экструзия әрекетінің өнімге шнек пен қалып беретін құралдың біріккен жұмыс тәртібін белгілеу. Ағуа аз қарсылық білдіретін, қалып беретін құралдың (1-сызық) шнекпен өнімді жұмыс істейтін нүктелері:

А – ойықтары терең шнек; А' – ойықтары таяз шнек.

Ағуға көп қарсылық білдіретін қалыптайтын құралдың (2-сызық) мұндай нүктелері: Б' – ойықтары таяз шнек; Б - ойықтары терең шнек. Жалпы қалып беретін құралдың ағуға қарсы күші көп болса, түзу сызық аласа болады, ал ағуға қарсы күші аз болса түзу биіктеу болады.

Диаграмманы сызған кезде шнектің айналу санын (N) және полимердің жабысқақтығын (r) өзгермейді деп есептедік. Шын мәнінде бұл қосындылар да өзгеріп құрады. Сонда диаграммада нүктелердің саны көбейіп, олар белгілі алаңдар болып көрінеді. Осы алаңдардың көлемін нүкьеге дейін қысқартып әрекеттің ішкі резервтерін пайдалануға тырысу керек. Бұл шараларды іске асыру үлкен технологиялық мәдениет болып есептеледі.

Бір ескеретін жағдай, өз еркімен экструзия әрекетінің жылдамдығын өзгерту, алынып отырған бұйымның өлшеміне және сапасына зиянын тигізеді. Бұл әсіресе сұйық полимерлерді өндегенде және қысқа шнекті машиналармен оның салқындауын күшейткенде, сондай-ақ машинаға берілген полимердің өлшемсіз болып келуінде кездеседі. Екеуін айыра білу керек. Бұл кемшіліктерден құтылудың жолдары – алынып отырған бұйымды қосыаша тарту немесе шнектің аяғында дозалау насосын қою.

Сурет 52. Экструзия арқылы құбыр шығаратын агрегаттың көрінісі.

1-экструдер; 2 - қалыптайтын құрал; 3- калибрлейтін құрал; 4-5 – бірінші және екінші салқындатқыш аймақтар; 6- құбыр; 7 – өлшейтін және маркасын белгілейтін құрал; 8- тартқыш құрал; 9- кесетін құрал; 10- қабылдайтын (жинақтайтын) құрал.

Жалпы экструзиялы құралдардың өнімділігін білу үшін эмпериялық теңдік пайдаланылады:

Q = 60a·N·U·γ (кг/сар) (8)

Бұл жерде: а - шнектің толықтыру коэффициенті;

N – шнектің айналу саны;

U – шнектің тиеу аймағындағы бір ойығының көлемі;

γ – үйілген полимердің салмағы.

Негізгі әдебиет 7 [62-68]

Қосымша әдебиет 4 [45-55]

Бақылау сұрақтары:

1. Экструзия процестері туралы жалпылама мәліметтер.

2. Экструзия әрекетінің жылу балансын құру қалай жүзеге асады?

3. Экструзия арқылы құбыр шығаратын агрегаттың көрінісі қандай?

№14 Тәжірибелік сабақ. Полимерлерді қысым арқылы құю әдісімен бұйым шығару. Термореактивті пресс-материалдан бұйым шығару.

Тапсырмалар:

1. Термореактивті пресс-материалдан бұйым шығару.

2. Престеудің технологиялық шамаларын есептеу.

3. Компрессионды престеудегі материалдың қатаю мерзімі.

4. Престеп құюдың меншікті қысымы

5. Пресс-қалыпқа тиелетін материалдың мөлшері.

Әдістемелік ұсыныстар

1. Термореактивті пресс-материалдардан бұйымдарды компрессиялық қысымның көмегімен және құю арқылы престеумен немесе қысым арқылы құюмен шығарылады. Престің негізі – жылу әсерінен материалдың иілімді деформацияланып, берілген қысымның нәтижесінде химиялвық қатаю реакциясына түсіп, қажетті пішінге келуі.

Байланыстырушы ретінде фенолформальдегидтиер, моламинформалдьдегидтер, мочевинаформальдегидтер, полиэфирлер және эпоксидпил олигомерлер пайдаланылады.

Пресс-материалдың құрамында 40-70%- ға дейін толықтырушылар және 30-40% байланыстырушылар, сондай-ақ қатайтушылар, бояулар тағы басқа заттар болады. Престеген кезде қысымның мөлшерін азайту үшін, тұтқырлығын азайту керек. Ол үшін пресс-материалдың температурасын жоғарлатады. Бірақ, бұл кезде байланыстырушы материалдың мүлдем аз уақыт қана сұйық күйде болады да тез қатайып қалыпқа толық түсіп үлгермейді. Соның нәтижесінде бұйымның керекті пішіні бұзылады.

Престердің негізгі технологиялық шамалары – алдын-ала қыздырудың уақыты мен температурасы, престеудің температурасы, қатаю мерзімі және меншікті қысым.

Технологиялық шамалар анықтамалардан алынады немесе шығарылатын бұйымның технологиялық өзгешелігіне қарай есептеледі.

2. Бұл температура пресс-материалдың еріген күйінде сақталу мерзіміне байланысты болады. Бұл мерзім материалды қалыпқа тиеу және оны жабуға қажетті уақыттан көп болуы керек.

(1)

бұл жерде: Н₁ және Н₂ – пуансонның престелмеген және престелген кезіндегі төмен түсу биіктігі; U₁ және U₂- плитаның престелмеген және престелген кездегі төмен түсу жылдамдығы; t_T- материалды пресс-қалыпқа тиеу мерзімі.

Температуралардың мөлшерін жалпы материалдардың маркасына қарап төменде келтірілген кестеден алуға болады.

4-кесте. Пресс-материалдарды компрессионды престеу және престеп құюдың технологиялық тәртібі.

Пресс-материалдың маркасы	Алдын-ала жылыту температура сы	Престеудің температурасы			Меншікті қысым
		жылыт пағанда	жылыт қанда	престеп құю кезінде	прес теу	прес теп құю
01.04.02 03.010.02	130-170	155-5	185-5	185	25-35	40-80
К 114 35	165	185	170	-	25-35	60-80
Аминопласт	90-100	155-5	160-5	165	25-35	50-80
КФ.10	150	-	145-5	150-5	30	50
АГ	^120-130	145-5	150-5	150	30	70-100
КФ-3	110-130	175-5	180-5	180	40-50	100

3. Қалыпқа тиейтін материалдың температурасы қалыптың температурасына қарағанда айырмашылығы көп болған соң, жалпы материалдың қатаю мерзімін екіге бөлуге болады: материалдың қатаю температурасына дейінгі қызу мерзімі (t_a) және поликонденсация реакциясының өту мерзімі (t_қ). Осы екі мерзімді білу үшін екі теңдікті шешуіміз қажет.

Материалдың қатаю температурасына дейінгі қызу мерзімін табу үшін стационарлы емес жылу өткізгіш теңдігі пайдаланылады.

бұл жерде: F_o- Фурьенің критериі;

a - жылу өткізгіштігі;

δ - бұйымның ең жіңішке жерінің мөлшері.

Ал поликонденсация реакциясының өту мерзімі мына теңдікпен табылады:

(2)

бұл жерде: T_Bh – Канавецтің пластометріндегі қатаю мерзімі (80-140 секунд); - пластометрдің қатаю температурасына дейінгі қызу мерзімі (15-20 секунд); β - тұрақты коэффициент (мөлшері 0,02-0,03-ке дейін); Т_n- пластометрдің температурасы (170^оС); Т_ф – қалыптың температурасы.

Айта кететін жағдай, бұл есептеу әдісі қатаю мерзімін пресс-материалдың маркасына байланысты Канавецтің пластометрінде нақты зерттеуді қажет етеді (МемСТ 15882-70 пайдаланып). Себебі, кейбір авторлардың мәліметіне қарағанда T_Bh мөлшерінің біраз айырмашылығы бар. Материалды престеудің алдында қатаю температурасына жақын деңгейіне дейін қыздырғанда (Т_тиеу≈Т_ф -15 ^оС t_a)-ны есептеудің қажеті жоқ.

4. Бұл қысымды литниктерге жұмсалатын және пішін беретін қалыптағы қажетті қысымды қосып табады:

(3)

Бұл жерде: Рк – компрессионды престеудің қысымына тең, қалыптағы меншікті қысым 25-50 МПа.

Есептеп табылған Р_м жоғарыда көрсетілген t_қ сияқты қосымша әр бұйымға арналған материалға зерттеуді қажет етеді.

5. Бұл мөлшер пайдаланылатын материалдың түріне, ағымына және бұйымның салмағына байланысты. Компрессионды престегенде тиелген материалдың мөлшері шығарылатын бұйымның салмағынан 1,05 есе көп болу керек және қалыптың ұясын есептеген жөн. Престеп құйған кезде жоғарыда көрсетілген жағдайларға қосымша литниктердің әсерін және қылаудың салмағын ескеру қажет.

Негізгі әдебиет 7 [62-68]

Қосымша әдебиет 4 [45-55]

Бақылау сұрақтары:

1. Термореактивті пресс-материалдан бұйым шығару процесі қалай жүзеге асады?

2. Престеудің технологиялық шамаларын есептеу жолдарын таратып айтып беріңіз.

№15 Тәжірибелік сабақ. Технологиялық параметрлердің шығарылатын бұйым сапасына әсері. Қысым арқылы құю процесінің параметрлерін есептеп шығару.

Тапсырмалар:

1. Қысым арқылы құйып шығаратын бұйымның қасиеттеріне әсер ететін параметрлер.

2. Еріген полимердің температурасы.

3. Қалыптың температурасы.

4. Қысым беру мерзімі.

5. Бұйымды салқындату мерзімі.

6. Меншікті қысымның мөлшері.

Әдістемелік ұсыныстар

1.Қысым арқылы құйып шығаратын бұйымның қаттылығына, керілгіштігіне, шөгуіне және басқа да қасиеттеріне әсер ететін параметрлер – қысым, полимердің және қалыптың температурасы, қысым беру мерзімі, полимерді қалыпқа енгізу жылдамдығы. Кристалдық немесе аморфты полимерлерден құйылатын бұйымдарға технологиялық параметрлердің тигізетін әсері әртүрлі. Аморфты полимерлердің керілгіштігі температура көтерілген сайын өседі, бірақ ең жоғары дәрежесіне жеткенде қайтадан төмендей бастайды. Бұл жағдай молекулалардың қалыпты толтырған кездегі бағытталу дәрежесіне байланысты болады.

Қысымның әсері температураның әсерімен бірдей болады. Ең жоғарғы қысымның көрсеткіштері 400 МПа-ға жеткен кезде байқалады. Бұл жағдай кристалданатын полимерлерге – полиэтиленге, полипропиленге тән.

Еріген полимердің және қалыптың температурасы бұйымның қысым берілетін бағытындағы немесе көлденең бағыттағы қасиеттерінің айырмашылығына әсер етеді. Бұл температуралар неғұрлым жоғары болса, соғұрлым айырмашылық аз болады. Әсіресе осы жағдай қысым беру уақытына байланысты. Литниктердің көлемі үлкен болса полимерді қалыпқа енгізу ұзаққа созылып, салқындату қысымның әсерінен жүзеге асады, соның салдарынан релаксация өтуі қиындап, макромолекулалардың бағытталуы ұлғая түседі.

Қалыптың ішіндегі қысым жоғары болса, еріген полимердің тығыздығы да жоғарылайды. Бұл сәтте полимердің шөгуі де салқындаған сайын азая түседі. Қабырғаларының қалыңдығы әр түрлі бұйымға бірдей қысым берілгенде полимердің орта температурасы қабырғаның қалыңдығына екі есе пропорционал болу қажет, яғни қабырғаның қалыңдығы өскен сайын бұйымның шөгуі де өсе түседі.

Процестің параметрлері бір-біріне байланысты болғандықтан, оларды белгілі тізбекпен есептеп шығарған жөн.

2. Бұл температура цилиндрдің сыртына орналасқан қыздырғыштар және тұтқырлы ағымның диссипативті қуаты арқылы полимерге беріледі. Оның мөлшері бұйымның қажеттілігіне, оның керілгіштігі және полимердің тұтқырлығына байланысты. Оны жалпы қысым арқылы есептеп шығаруға болады:

(1)

Т₁- полимердің ағуын белгілейтін темературасы, К; Е_υ- тұтқырлы ағымның активті қуаты; Дж/моль R – газ тұрақтысы τ₁ және τ_υ- полимердің белгілі температурадағы және аққан кездегі жылжу қысымы.

3. Бұл параметр салқындатудың жылдамдығын және бұйымның соңғы температурасын көрсетеді. Оған қосымша полимерлердің кристалдану жағдайын және соған сәйкес бұйымдардың қасиеттерін белгілейді. Қалыптың температурасын анықтамадан алуға болады. Соңғы кезде бұйымның қаттылығын қамтамасыз ету үшін мына теңдік көп пайдаланылады:

(2)

4. Бұл параметрдің мөлшерін есептеп шығаратын теңдікке қосымша коэффициент енгізіледі. Себебі, литникке жылу өткізу процесі тұрақсыз және полимердің қалыпқа түсу жылдамдығының өзгерісіне байланысты болады. Коэффициенттің мөлшерін мына теңдікпен табуға болады:

(3)

бұл жерде: DV - қысым беру кезіндегі полимердің көлемі; V_л - қалыпқа полимерді өткізетін литниктің көлемі; φ- литниктің түрін ескеретін коэффициент (жалпы 1-2 арасында).

Литниктің ортасындағы температурасын ағым температурасынан (Та) аз деп есептеп, қысым беру мерзімін цилиндрлі литник үшін мына теңдікпен есептеп шығаруға болады:

(4)

бұл жерде: r- литниктің радиусы; а – температура өткізгіштің коэффициенті; Тп – қосылған полимердің температурасы; Та – аққан полимердің температурасы.

Бірнеше тарамдалған литниктердің орталық литнигі алынатын бұйымның қабырға қалыңдығының жартысынан үлкен болса, мына теңдік пайдаланылады:

(5)

бұл жерде:δ - бұйым қабырғасының қалыңдығы.

5. Еріген полимердің салқындауы қалыпқа түскеннен басталып, бұйым қажетті конструкциялық беріктікке ие болғанға дейін жүргізіледі. Осы мерзімді белгілеу үшін бұйымның пішінін, көлемін және полимер мен қалыптың температурасын ескерген жөн.

Есеп стационарлы емес жылу өткізетін теңдікпен шығарылады. Бұйымның түріне қарай алынатын теңдіктер төменде көрсетілген болып келеді.

(6)

(7)

(8)

бұл жерде:δ - бұйымның қалыңдығы; Т- бұйымның шығарып алған кездегі температурасы; R, I, B – бұйымның радиусы, ұзындығы және кеңдігі; t_k – қысым беру мерзімі.

Жоғарыда көрсетілген теңдіктердің орнына Фурьенің критериін пайдаланып, салқындату мерзімін мына теңдікпен табуға болады:

(9)

6. Қысым арқылы құю кезінде қысымның мөлшері полимер өтетін жүйелерге аз келеді, себебі цилиндрден сопло арқылы литникке, литник арқылы қалыпқа өткенде және формадағы полимерге қысым берген кезде оның мөлшері кездесетін кедергілерге жұмсалатындықтан азаяды. Көптеген математикалық өзгерістерді есептеп шығарған соң, қорытынды теңдік мынадай түрде болады:

(10)

бұл жерде: К, П – коэффициенттер; У- шөгу; М – молекулалардың массасы; b, R – бұйымның кеңдігі мен радиусы; ∑DР, ∑DРм – литник пен мундштуктағы қысымның айырмашылығы.

Негізгі әдебиет 7 [62-68]

Қосымша әдебиет 4 [45-55]

Бақылау сұрақтары:

1. Қысым арқылы құйып шығаратын бұйымның қасиеттеріне әсер ететін параметрлерді атап айтыңыз. Барлығын талдап түсіндіріңіз