Нефть ва газни қайта ишлаш жараёнлари ва ускуналари Ўзбекистон Республикаси Олий ва ўрта махсус таълим вазирлиги олий ўқув юртлари бакалавриатининг «Нефть ва нефть-газни қайта ишлаш технологияси»

2.2. ОҒИРЛИК КУЧИ ТАЪСИРИДА ЧЎКТИРИШ

Чўктириш усули суспензия, эмульсия ва чангли газларни ажратиш учун ишлатилади. Чўктириш тезлиги кичик бўлгани сабабли бу усул асосан турли жинсли системаларни бирламчи ажратиш учун қўлланилади. Чўктириш жараёни чангли газлар, суспензия ва эмульсиялар таркибидаги майда қаттиқ заррачаларнинг оғирлик кучи таъсирида ускуна тубига чўкишига асосланган. Оғирлик кучи таъсирида чўктириш жараёни тиндирувчи ускуналарда олиб борилади.
Чўкиш тезлигини аниқлаш. Бунинг учун алоҳида олинган шарсимон қаттиқ заррачанинг суюқлик муҳитида эркин чўкишини текширамиз. Бунда заррачага оғирлик кучи G, кўтариш кучи А ва муҳитнинг қаршилик кучи R таъсир қилади (2.1-расм). Чўкиш жараёнининг ҳаракатлантирувчи кучи ролини оғирлик ва кўтариш кучлари ўртасидаги фарқ, яъни заррачанинг суюқликдаги оғирлиги бажаради:
Р=G-A= g ( _қ – _м), (2.1.)
Муҳитнинг қаршилиги R заррача йўналишига қарама-қарши бўлиб, ишқаланиш ва инерция кучларидан таркиб топган. Ламинар оқимда ишқаланиш кучлари инерция кучларига нисбатан катта бўлади. Стокс қонунига кўра, ламинар режимда шарсимон заррачанинг чўкишида муҳитнинг қаршилик кучи R қуйидаги тенглама билан топилади:

R = 3 πdμW_э , (2.2)

бу ерда μ – муҳитнинг динамик қовушоқлиги, Па·с; W_э – заррачанинг эркин чўкиш тезлиги, м/с.




2.1-расм. Чўкаётган заррачага таъсир қилаётган кучлар:
G – оғирлик кучи; А-кўтариш кучи; R-қаршилик кучи; W_э-заррачининг эркин чўкиш тезлиги.

Чўкаётган заррача дастлаб тезроқ чўкади, бир оз вақт ўтгач, муҳитнинг қаршилик кучи ҳаракатлантирувчи кучга тенглашганда, ўзгармас тезлик билан бир хилда чўка бошлайди. Шу ўзгармас тезлик чўкиш тезлиги дейилади.

Демак, заррача ўзгармас тезликка эга бўлганда Р=R бўлиб қолади. Р ва R нинг қийматларини тенглаштириб қуйидагиларни оламиз:
g ( _{қ - м}) = 3 πdμW_э ,
бу ердан чўкиш тезлиги
W_э = . (2.3.)

(2.3) ифода Стокс тенгламаси деб юритилади ва Re≤2 бўлганда ишлатилади.

2.2–расмда қаттиқ шарсимон заррачанинг суюқликдаги ҳаракати кўрсатилган. Тезлик ва заррачанинг ўлчами кичик бўлганда ёки муҳитнинг қовушоқлиги катта бўлганда, заррача суюқликнинг чегара қатлами билан қопланган бўлади, бундай ҳолатда оқим заррачани силлиқ айланиб ўтади (2.2-расм, а). Ламинар режимда оқимнинг энергияси асосан ишқаланиш қаршилигини енгишга сарфланади. Оқимнинг турбулентлиги ортиши билан (масалан, жисм ҳаракати тезлигининг кўпайиши) инерция кучларининг таъсири сезила бошлайди. Ушбу кучлар таъсирида қаттиқ заррача юзасидаги чегара қатлам бузилади, оқибат натижада заррачанинг орқа томони атрофида тартибсиз маҳаллий уюрмалар пайдо бўлади (2.2-расм, б). Рейнольдс мезони маълум қийматларга эга бўлгандан сўнг, яъни ривожланган турбулент режимда (2.2-расм, в) ишқаланиш қаршилигини ҳисобга олмаса ҳам бўлади, чунки бунда асосий кучни заррачанинг олд томонидаги қаршилик ташкил этади. Бундай шароитда автомодел режими бошланади. Ривожланган турбулент (ёки автомодел) режимда муҳитнинг қаршилик коэффициенти ўзгармас бўлади (ξ=0,44=const).

a б в

2.2-расм. Қаттиқ шарсимон заррачнинг суюқликдаги ҳаракати:
а - ламинар оқим; б - оралиқ оқим; в - турбулент оқим.

Турбулент режимда (Rе>500) заррачанинг орқа томонида уюрма оқимлар пайдо бўлади ва шу билан биргаликда бироз сийракланиш юз беради; бу ҳолат муҳит қаршилигининг кўпайишига олиб келади ва оқибат натижада заррачанинг чўкиш тезлиги секинлашади.

Турбулент режимда (Rе>500 бўлганда) инерция кучлари ишқаланиш кучларидан устун туради. Бунда қаршилик кучи R Ньютон қонунига кўра топилади:
R = ξ Ғ (2.4.)
бу ерда ξ – қаршилик коэффициенти; Ғ – заррачанинг ҳаракат йўналишига бўлган текисликка туширилган проекцияси.
Қаршилик коэффициентининг қиймати Rе нинг сон қийматига кўра аниқланади:
агар Rе ≤ 2 бўлганда ξ = ;
агар 500 > Re < 2 бўлганда ξ = ;
агар Re > 500 бўлганда ξ = 0,44.
Шарсимон заррача учун Ғ = .
Турбулент режим учун қуйидаги тенгликни ёзиш мумкин:
g ( _қ - _м) = ξ Ғ ­­­ .
g, ξ ва Ғ нинг қийматларини охирги тенгламага қўйгандан сўнг, чўкиш тезлигини аниқлаш учун қуйидаги ифодани оламиз:

W_э = 5,45 . (2.5)

Шарсимон бўлмаган заррачаларнинг чўкиш тезлиги W¹ қуйидагича аниқланади:
W^' =φW_э . (2.6)
φ– шакл коэфициенти.
Шарсимон заррачалар учун φ = 1 деб олинади.
Бошқа, шарга ўхшамаган заррачаларнинг шакл коэфиициенти φ<1 бўлади. Масалан: думалоқ заррачалар учун φ=0,77; учбурчак шаклдаги заррачалар учун φ = 0,58; пластинасимон заррачалар учун φ = 0,43.
Юқоридаги (2.3), (2.5), (2.6) тенгламалар орқали эркин чўкиш тезлиги, яъни алоҳида олинган заррачанинг суюқлик ёки газ муҳитидаги эркин чўкиши аниқланади.
Ҳақиқий шароитларда чўктириш жараёни маълум ҳажмда, қаттиқ заррачаларнинг концентрациялари катта бўлганда олиб борилади. Бунда сиқилган ҳолатдаги чўкиш юз беради. Сиқилган ҳолатдаги чўкиш тезлиги эркин чўкиш тезлигидан кичик бўлади, яъни W_чW_э, чунки сиқилган ҳолатдаги чўкишда умумий қаршилик муҳитнинг қаршилиги ва заррачаларнинг ўзаро бир-бирига ишқаланиши ҳамда урилиши натижасида ҳосил бўлган қаршиликлар йиғиндисига тенг бўлади.
Тахминий ҳисоблашлар учун сиқилган ҳолатдаги чўкиш тезлигини (яъни ҳақиқий чўкиш тезлигини) олинган шарсимон заррача назарий чўкиш тезлигининг ярмига тенг деб олинади:
W_ч = 0,5 W_э (2.7)
Нотўғри шаклга эга бўлган заррачалар учун W_э ни ҳисоблаш пайтида d нинг ўрнига d_э олинади:
d_э = , (2.8)
бу ерда d_э – эквивалент диаметр; V – чўкаётган заррачанинг ҳажми.
Ҳамма режимлар учун сиқилган ҳолатдаги чўкиш тезлигини аниқлашда қуйидаги умумий тенгламадан фойдаланилади:
Rе = , (2.9)
бу ерда Re = - Рейнольдс мезони;
Ar = - Архимед мезони;
ε = - суюқликнинг суспензиядаги ҳажм жиҳатдан олинган улуши: V₀ – суюқликнинг суспензиядаги ҳажми, м³; V – қаттиқ заррачаларнинг суспензиядаги ҳажми, м³.
Сиқилган ҳолатдаги заррачанинг чўкиш тезлигини аниқлаш учун аввало Ar ва ε нинг қийматлари топилади, сўнгра бу қийматлар (2.9) тенгламага қўйилиб, Re нинг миқдори ҳисобланади. Кейинчалик Рейнольдс мезонидан чўкиш тезлиги аниқланади:
W_ч = . (2.10)
(2.3), (2.5) ва (2.10) ифодалардан кўриниб турибдики, чўкиш тезлигининг қийматини белгиловчи асосий катталиклар қаторига муҳитнинг қовушоқлиги ва қаттиқ заррачаларнинг ўлчами киради. Чўкиш жараёнини жадаллаштириш учун кўпинча суспензиянинг ҳарорати технологик жиҳатдан мумкин бўлган даражагача қиздирилади, чунки ҳароратнинг кўтарилиши билан қовушоқлик пасаяди, натижада чўкиш жараёни тезлашади. Бундан ташқари, чўкиш жараёнини жадаллаштириш учун қаттиқ заррачаларни коагуляция қилиш ҳам яхши натижа беради. Заррачаларнинг ўлчамини коагуляция йўли билан катталаштириш учун одатда суспензияга коагулянтлар қўшилади. Суспензияга коагулянтлар қўшилганда молекулаларнинг ўзаро тортишиш кучлари таъсирида майда заррачалар бирлашиб, катта-катта конгломератлар ҳосил қилади, оқибат натижада чўкиш тезлашади.