Нефт-газни қайта ишлаш жиҳозлари, ускуналари ва лойиҳалаш асослари

3-расм. Бинар аралашмаларни ректификация усули Билан ажратишнинг диаграмма усули
Бу диаграмма ёрдамида бирин-кетин бир неча марта конденсациялаш ва буғлатиш жараёнларини ўтказиш орқали таркиби асосан қийин учувчан компонентдан ташкил топган қолдиқ суюқлик олиш мумкин.
Кўп марта буғлатиш жараёнини кўп поғонали қурилмаларда олиб бориш мумкин. Бироқ бундай қурилмалар қатор камчиликларга эга: ўлчами катта, юқори концентрацияли моддалар (дистиллят ёки қолдиқ)нинг чиқиши кам, атроф-муҳитга кўп иссиқлик йўқотилади.
Юқори ҳароратларда қайнайдиган моддаларнинг аралашмаларини ажратишда вакуум ишлатилади.
Нормал ҳароратларда газ ҳолатида бўлган аралашмалар ажратилганда атмосфера босимидан юқори бўлган босим остида ишлайдиган қурилмалардан фойдаланилади.
Ректификацион колоннанинг моддий баланси. Ректификация колонналарини ҳисоблашада ва анализ қилишда фазалар таркиби ва миқдори моль умумларда ифодаланади. Ҳисоблаш шартларини осонлаштириш учун қуйидаги шартлар қабул қилинади: колоннадан чиқиб дефлагматорга кираётган буғнинг таркиби ва колоннага қайтиб ташлаётган флегманинг таркиби бир хил қийматга эга, яъни қайнаткичдан чиқиб, колоннада кўтарилаётган буғнинг таркиби колоннанинг пастки қисми (куб буғлаткич) дан чиқаётган суюқликнинг таркибига тенг, яъни расмда кўрсатилган схемага колоннанинг моддий балансини тузамиз.

C_F = C_D + C_W -

учувчан компонент бўйича.
С_F = C_DX_D + C_WX_W
бу ерда С_F, C_D, C_W - дастлабки аралашма, дистиллят ва қолдиқ маҳсулотнинг масса ва моль ҳисобидаги сарфлари;
X_D , X_W - енгил учувчан компонентнинг дастлабки аралашма, дистиллят ва қолдиқ маҳсулотдаги масса ёки моль улушлари ҳисобидаги таркиби.
Колонна юқориги қисмининг моддий баланси. Таъминловчи тарелканинг тепа қисми учун қуйидаги моддий баланс тенгламаларини ёзиш мумкин:
Оқимлар бўйича
C_V = C_R + C_D
Енгил учувчан компонент бўйича
C_уч = G_RX + C_DX_y
бу ерда ХD - енгил учувчан компонентнинг дистиллятдаги таркиби (моль улушларда).
у ва х - колоннанинг берилган кесимига тўғри келган суюқлик ва буғ таркибидаги енгил учувчан компонентнинг аппарт баландлиги бўйича ўзгарувчан концентрациялари (моль улушлари ҳисобида);
С_V, C_R, C_D - колоннада кўтарилаётган буғ, флегма ва дистиллятнинг моль ҳисобидаги сарфлари:
Моддий баланс тенгламасини моль ҳисобидаги нисбий сарфар бўйича (1 кмоль дистиллятга нисбатан) қайта оқиб, У = R + 14y = R_x +X_D Натижада қуйидаги ифодаларга эришамиз:
ёки (1)
(1)тенглик колоннанинг юқориги буғ таркибини оширувчи қисми учун иш чизиқ тенгламаси деб аталади. Бу тенглама R(R+1) = tg иш чизиғининг абцисса ўқига оғиш бурчаги тангенси х_о/R+1 = в чизиғининг диаграммадаги ордината ўқи бўйича ажратилган қисми. Демак охирги тенгламани қуйидагича ёзиш мумкин:
У = tgx + в
Колонна пастки қисмининг моддий баланси. Бундай ҳолат учун қуйидаги моддий баланс тенгламаларини ёзиш мумкин:
Оқимлар бўйича
C_V + G_W = G_F + G_K
Енгил учувчан компонент бўйича
C x Y + G_WX_W = (G_F + G_K)x (2)
бу ерда G_W - куб қолдиғининг сарфи (моль ҳисобида);
X_W - куб қолдиғидаги енгил учувчан компонентнинг таркиби (моль улушларида).
(2)тенгламани мол ҳисобидан нисбий сарфлар бўйича 1 мол дистиллятга нисбатан қайта ечиб ва W = G (CD) F = G/CD деб белгилаб қуйидаги ифодаларга эга бўламиз:
V + W = R + F Vg + W^x W = (R + F)x
Бундан:

Бу тенгламадан:
деб оламиз.
Бу ерда tg - иш чизиғининг ордината ўқига оғиш бурчаги тангенси;
С-иш чизиғининг абциссса ўқи бўйича ажратган кесмаси.
Шундай қилиб охирги тенгламани қуйидагича ёзиш мумкин:
у = tg +C (3)
(3) тенглама колоннанинг пастки (суюқликдан енгил учувчан компонентни максимал ажаратувчи) қисми учун иш чизиғи тенгламаси деб аталади.
Ректификация колонна иш чизиқларини у-х диаграммада тасвирлаш учун, абцисс ўқига суюқликларнинг берилган таркиблари х_ғ, xp, xw нинг қийматлари жойлаштирилади. Қабул қилинган шартга кўра, юқорига тарелкадан чиқаётган буғнинг ва дистиллятнинг таркибига ўзаро тенг (яъни у_р = х_d) нуқтадан диоганал билан кесишгунча вертикал ўтказилади, натижада q нуқтага эга бўламиз. Ордината ўқига В = х_о/R+1 кесмани жойлаштирилади. Бунда х нуқта ҳосил бўлади ва нуқталар тўғри кесма ёрдамида бирлаштирилади. х_F нинг қийматига тўғри келадиган нуқтадан оb чизиғи билан кесишгунча вертикал кесма ўтказилади, бунда В нуқта ҳосил бўлади. оb тўғри чизиқ кесмаси колонна юқори қисмининг иш чизиғини ифодалайди.
Қабул қилинган шартга кўра у_w = x_w шу сабабдан х_w нинг қийматига тўғри келган нуқтадан диаграмма диоганали билан кесишгунча вертикал кесма ўтказилиб, с нуқтага эга бўлинади. с нуқта в билан тўғри кесма орқали бирлаштирилади. Ҳосил бўлган вс кесмаси пастки колоннанинг иш чизиғини ифодалайди. Иш чизиқлари (ав, вс) ректификацион колонна юқори ва пастки қисмларидаги иш концентрациялар ўзгариши поғоналарининг сони аниқланади. Расмда концентрация поғоналарининг сонини график усул билан аниқлаш йўли тасвирланган. Юқори ва пастки колоналар иш чизиқлари «К» нуқтасида кесишади.
Мувозанат чизиғи ва иш чизиқлари ўртасида уч бурчак поғонлар ўтказилиб концентрациялар ўзгариши поғоналарининг сони (ёки назарий тарелкалар сони) аниқланади.

Графикдан кўриниб турибдики, мисолимизда юқориги колоннага 4 та концентрация поғоналари, пастки колоннага 6 та концентрация поғоналари тўғри келади.

Назарий тарелкаларнинг сони n_m га асосланиб ҳақиқий тарелкаларнинг сони n_x аниқланади:
n_x = DM/
бу ерда  - тарелкаларнинг Ф.И.К.
 нинг қиймати тарелкаларининг конструкциясига, тарелкаларнинг оралиғидаги масофага, буғнинг тезлигига ва аралашманинг физик хоссаларига боғлиқ бўлиб, катта чегараларда (0,25-0,9) ўзгаради.
Флегма миқдорининг дистиллят миқдорига нисбати флегма сони деб аталади. Бу сон ректификация колонна ишларини анализ қилишда муҳим аҳамиятга эга.
Дистиллятнинг берилган миқдори х_D ўзгармас бўлса, в кесманинг катталиги фақат флегма сонига боғлиқ бўлади, чунки в = х_D /R+1. Бунда R нинг кўпайиши билан В кесмаси камаяди, в нуқтаси вертикал бўйича пастга тушади ва силжиш R= бўлганда то диаграмма диоганали билан кесишгунча давом этади (в нуқтаси). Бунда жараёниннг ҳаракатлантирувчи кучи (у*-у) максимал қийматга эга бўлади. нинг камайиши билан в нуқтанинг ўрни вертикал бўйича юқорига силжийди. Бундай ҳолатда жараёниннг ҳаракатлантирувчи кучи камаяди ва q маълум бир минимал қийматга эга бўлганда (қачонки в нуқтаси в¹ холатни эгаллаганда) харакатлантирувчи кучи нолга тенг бўлиб қолади.
Демак, колоннанинг ишлаши учун зарур бўлган флегма сонининг қиймати R_мин ва R чегаралари оралиғида бўлиши зарур. Бундай флегманинг иш сонини аниқлаш учун R_мин нинг қиймати маълум бўлиши керак. R_мин нинг қиймати одатда ҳисоблаш йўли билан топилади. R_мин ни аниқлаш учун в¹¹ нуқтадан а нуқтасининг ординатасини кесишгунча горизонтал в¹¹_е ўтказилади. R_мин бўлганда юқориги колонна иш чизиғи қиялик бурчагининг тангенси d∙b¹¹∙e учбурчаги di ва в¹¹

Юқориги колонна иш чизиғининг тенгламасига асосан ва флегма сони минимал қийматига эга бўлганда tg = R_мин/ R_мин+1. Иккала ифодаларни солиштириб, қуйидаги тенгламага эришилади:

Қурилманинг ўлчамлари ва иссиқлик ташувчи агентлар (иситкич учун сув буғи, дефлегматор учун совуқ сувнинг сарфи) флегма сонига қараб ўзгаради. Капитал маблағ ва қурилмаларни ишлатиш учун зарур бўлган сарфлар ҳам флегма сонига боғлиқдир. Шу сабабли ҳақиқий флегма сонини ҳисоблаш катта аҳамиятга эга. Ҳақиқий флегма сонини график усулда аниқлаш мумкин.

Расмдан кўриниб ту-рибдики қурилмани ишлатиш учун зарур бўлган ҳаракатлар флегма сонига тўғри пропорционал равишда ортиб боради (1 чизиқ). Капитал маблағлар ва флегма сони оралиғидаги боғлиқлик маълум минимумга эга (2 эгри чизиқ).
Умумий сарфлар ва флегма сони ўртасидаги боғлиқлик ҳам минимум нуқтаси билан белгиланади (3 эгри чизиқ). Бу минимумга тўғри келган R ҳақиқий флегма сонининг оптимал қиймати (R_опт)ни ташкил қилади.
Амалиётда ишчи флегма сони тахминий ҳисоблашлар асосида аниқланади. R=R_мин бу ерда  - флегманинг кўпроқ олинишини ҳисобга олувчи коэффициент ( = 1). Агар ажратилаётган системалар учун  нинг қиймати аниқ бўлмаса, бундай ҳолатда иш флегма сонини аниқлаш учун қуйидаги эмпирик боғлиқликларидан фойдаланиш мумкин:
R=1,3 R_мин +0,3
Икки хил чегараланган режимларда (R=Х_мин) ва R=X флегма сони, қурилманинг иш баландлиги ва ректификация учун иссиқлик сарфи ўрталаридаги боғлиқликларни кўриб чиқамиз. Колоннанинг иш баландлиги концентрация ўзгаришларининг сонига пропорционал.
R=x бўлганда ишчи чизиқлари диаграмманинг диоганали бўйлаб жойлашади, жараённинг ҳаракатлантирувчи кучи у=у*-у ёки х=х-х* энг катта қийматга эга бўлса, керак бўлган назарий поғоналар сони эса энг кичик қийматга эга бўлса, керак бўлган назарий поғоналар сони эса энг кичик қийматга тенг бўлади ( расм). Демак, R= бўлганда колонна учун иш баландлиги энг кам бўлиши керак.
Бироқ флегма сони фақат D=0 бўлгандагина қийматга эга бўлади. Бунда дистиллят олинмайди, буғларнинг тўла конденсацияланишидан ҳосил бўлган ҳамма суюқлик колоннага флегма сифатида кайтарилади. Бу режимда колонна ўзича ишлайди ва тайёр маҳсулот бермайди. Шу сабабли R= бўлгандаги режим нормал ишлаб чиқариш шароитларида қўлланилмайди. Флегма сонини кўпайиши билан қайнаткичдаги буғларнинг лозим бўлган суюқлик миқдори ортади. R= бўлганда максимал катта миқдордаги суюқлик буғланиши иситувчи буғ сарфини талаб қилади.

R_мин бўлган режимда иш чизиқлари мувозанат чизиғи билан кесишади (б), кесишган нуқтада ҳаракатлантирувчи куч нолга тенг бўлади. Бунда назарий поғоналар сони энг катта қийматга эга бўлади. Демак, R_мин бўлган режим учун ректификацион колонна катта баландликка эга бўлиши лозим. Бир хил шароитда иситувчи буғнинг сарфи флегма сонига пропорционал бўлганлиги учун R_мин режимда иситувчи буғнинг сарфи эса ортади. Шу билан бирга флегма сони ортганда колоннага қайтаётган суюқлик миқдори ҳам ортади, бу ҳол ўз навбатида қурилма диаметрининг катталашувига олиб келади.