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»

4.3. ГАЗ ЁКИ СУЮҚЛИКНИНГ ДОНАДОР МАТЕРИАЛНИНГ
МУАЛЛАҚ ҚАТЛАМИ ОРҚАЛИ ҲАРАКАТИ

Қаттиқ донадор материалларнинг мавҳум қайнаш ҳолати саноатнинг турли тармоқларида, жумладан бир қатор технологик жараёнлар (адсорбция, десорбция, қуритиш, экстракция, қаттиқ материалларни эритиш, иссиқлик алмашиниш ва ҳоказо) да истиқболли усул сифатида кенг қўлланилмоқда. Бу усул қаттиқ заррачалар билан муҳит (суюқлик ёки газ) ўртасида узлуксиз контакт яратиб беради. Бундай шароитда жараённинг энг муҳим катталиклари (ҳарорат ва концентрация) нинг бараварлашиши юз беради.

Саноатда кўпинча қаттиқ модда-газ системасидаги мавҳум қайнаш қатламли жараёнлар кўпроқ ишлатилади. Бундай системалар кўпинча турли жинсли бўлади.
Агар қаттиқ заррачаларнинг ўлчами катталашиб, ускунанинг диаметри кичиклашса ва газнинг тезлиги кўпайса, ўзаро поршенли қатлам пайдо бўлади (4.2 расм, а). Поршенли катламда қаттиқ фазанинг вертикал йўналишдаги аралаштирилиши қийинлашади. Нам қаттиқ материаллар ёки жуда кичик ўлчамли (масалан, ўлчами микрон атрофида) материаллар мавҳум қайнаш ҳолатига келтирилганда канал ҳосил қилувчи қатлам пайдо бўлади (4.2-расм, б). Бунда газ каналлар орқали ўтиб кетади, қаттиқ материалларнинг асосий массаси ўзгармай қолаверади. Конуссимон ва конус-цилиндрсимон ускуналарда канал ҳосил қилувчи қатлам фавворали қатламга айланади (4.2-расм, в, г). Бундай шароитда газ ёки суюқлик оқими асосан ускунанинг ўқи бўйлаб қаттиқ заррачалар билан биргаликда ҳаракат қилади ва фаввора каби уларни юқорига тарқатади. Сўнгра қаттиқ заррачалар ускуна девори ёнидан пастга қараб ҳаракат қилади.



4.2-расм. Мавҳум қайнаш қатламининг турлари;
а-поршенли қайнаш қатлами; б-каналли қайнаш қатлами; в, г-фавворасимон қайнаш қатлами.

Мавҳум қайнаш жараёнида фазалар ўртасидаги контакт юза катта бўлиши туфайли жараён бир неча марта тезлашади, натижада ускунанинг унумдорлиги ошади. Мавҳум қайнаш қатламининг гидравлик қаршилиги нисбатан катта эмас. Донадор заррачалар қатламини ҳосил қилиш учун ихтиёрий шаклдаги (масалан, цилиндрсимон) вертикал идишга донадор қаттиқ материал солинади. Материал газ тарқатувчи тўр устида жойлаштирилади. Агар тўр орқали пастдан юқорига қаратиб кичик тезлик билан газ ёки суюқлик оқими юборилса, материал қатлами ўзгармай қолади (4.3-расм). Газ оқими тезлигини аста-секин кўпайтириб борилса, тезлик маълум қийматга эга бўлганда қатламдаги материалларнинг оғирлиги оқимнинг гидродинамик босим кучига тенг бўлиб, бунда қаттиқ заррачалар гидродинамик мувозанат ҳолатини эгаллайди ва ҳар хил йўналишда силжий бошлайди. Газ тезлигини оширсак қатлам кенгаяди, заррачалар ҳаракатининг тезлиги ортади, бунда гидродинамик мувозанат бузилмайди. Бундай шароитда қатлам мавҳум қайнаш ҳолатини эгаллайди, яъни қатлам худди қайнаётгандек бўлиб кўринади.

Мавҳум қайнаш ҳолатда материал заррачаларининг оғирлиги G нинг ускуна кўндаланг кесими F га нисбатан ўзгармас бўлади:
, (4.12)
бу ерда ΔР – мавҳум қайнаш ҳолатидаги қатламнинг гидравлик қаршилиги, Па.



4.3-расм. Донадор заррачалар қатламидаги босим фарқининг оқим тезлигидан боғлиқлиги.

Мавҳум қайнаш икки хил (бир жинсли ва турли жинсли) кўринишда юз беради. Бир жинсли мавҳум қайнашда биринчи (W_к) ва иккинчи критик (W_В) тезликлар ўртасида қаттиқ материал заррачалари бутун қатлам баландлиги бўйича бир хил тарқалган бўлади. Амалий жиҳатдан бундай мавҳум кайнаш жараёни томчили суюқлик (масалан, сув) ёрдамида амалга оширилиши мумкин.

Турли жинсли мавҳум қайнаш асосан қаттиқ модда заррачаларини газ оқими ёрдамида мавҳум қайнаш ҳолатига келтирилганда юз беради. Бунда биринчи ва иккинчи критик тезликлар оралиғида қаттиқ модда заррачалари қатлам бўйлаб ҳар хил тарқалган бўлади. Турли жинсли қатламнинг ҳосил бўлиш даражаси заррачаларнинг юзаси ва шаклига, қаттиқ материаллар заррачалари ва ҳаракатдаги оқим зичликларининг нисбатига, заррачаларнинг диаметрига, оқимнинг тезлигига, газ тарқатувчи тўрнинг хилига боғлиқ бўлади.
Оқим тезлиги заррачаларни муаллақ ҳолатда ушлаб туриш учун етарли даражада бўлмаган шароитда, қатламнинг ҳажми, унинг баландлиги Н₀ ва қатламдаги бўш ҳажмнинг улуши ε₀ ўзгармас бўлади. Агар оқим тезлиги биринчи критик тезликдан кўпроқ ва иккинчи критик тезликдан камроқ бўлган шароитда, яъни W_КВ, қатламнинг ҳажми, баландлиги Н ва қатламдаги бўш ҳажмнинг улуши ε катталашади, бироқ ускунанинг ўзгармас кесимида бир хил нисбатда қолади:
(1–ε₀) Н₀ = (1–ε) Н . (4.13)
Зич ва мавҳум қайнаш қатламлари ўртасидаги боғлиқлик 4.3-расмда кўрсатилган. Графикнинг ОА ва ОВ чизиқлари билан белгиланган чоп қисми оқимнинг зич қатлам орқали ҳаракатини ифода қилади, бунда оқим тезлигининг ортиши билан қатламнинг гидравлик қаршилиги кўпайиб боради. В нуқтада қатламнинг қаршилиги унинг оғирлигига тенг бўлиб қолади ва қатлам заррачалари муаллақ ҳолатга ўтади. Ушбу нуқтага тўғри келган тезликни критик тезлик, биринчи критик тезлик ёки мавҳум қайнашнинг бошланиш тезлиги W_К деб аталади.
А нуқтадаги босим фарқи (мавҳум қайнаш ҳолатидан олдин) қатлам оғирлигидан ΔР₀ (босим чўққиси) га тенг бўлган миқдорда кўп бўлади. Босим чўққиси заррачалар ўртасидаги тортишув кучларини енгишга сарфланади. ΔР₀ нинг киймати заррачаларнинг жойланиш зичлиги, шакли ва уларнинг юза ҳолатига боғлиқ бўлади.
Оқимнинг W_К дан кейинги ортиши билан қатламдаги босим фарқи ΔР ўзгармайди, мавҳум қайнаш чизиғи эса абсцисса ўқига нисбатан параллел бўлиб боради (ВС). Бундай ҳолат W_В нинг қийматигача давом этади. С нуқтага тўғри келган тезлик заррачаларнинг муаллақ тезлиги (сузиб юриш тезлиги) ёки иккинчи критик тезлик деб юритилади. Агар оқимнинг тезлиги W_В дан катта бўлган ҳолда пневмотранспорт режими пайдо бўлади. Бундай режимда қатламдаги заррачаларнинг массаси камаяди, оқибат натижада қатламнинг гидравлик қаршилиги ҳам камаяди.
Графикдаги ОА ва ОВ чизиқлари зич қатламни ифода қилади. ОА чизиғи газнинг тезлигини секин-аста ошириб борилганда ҳосил бўлган, бундай ҳолатда зич қатламнинг гидравлик қаршилиги ортиб боради. Газнинг тезлигини секин-аста камайтириб борилиб, қатлам муаллақ ҳолатдан зич ҳолатга ўтган пайтда ОВ чизиғи ҳосил бўлади.
Мавҳум қайнаш ҳолатида баландлиги Н бўлган қатламнинг кесимида босим ва оғирлик кучларининг баланси рўй беради, яъни:
, (4.14)
бу ерда ρ_қ – қаттиқ заррачаларнинг зичлиги, кг/м³; ρ_м – муҳитнинг зичлиги, кг/м³; ε – қатламдаги заррачалар оралиғидаги бўш ҳажмнинг улуши; g – эркин тушиш тезланиши, м²/с.
Мавҳум қайнаш қатлами ҳосил бўлишининг критик тезлигини топиш учун жуда кўп тенгламалар таклиф этилган. Шарсимон бир жинсли заррачалар учун (ε₀=0,4) биринчи критик тезликни топишда О.М. Тодес тенгламасидан фойдаланиш энг қулайдир:
, (4.15)
бу ерда
; ;

d – қаттиқ заррачалар диаметри, м; μ – муҳитнинг динамик қовушоқлиги, Па·с.

Ламинар, оралиқ ва турбулент режимларда қатламдаги бўш ҳажмнинг керакли қиймати ε га эришиш учун оқим тезлиги W ни аниқлашда О.М. Тодес, В.Д. Горошко ва Р.Б. Розенбаум тенгламасидан фойдаланиш мақсадга мувофиқ бўлади:
. (4.16)
Ушбу тенглама ε га нисбатан қайта ечилса, ундан танланган гидродинамик режим учун қатламнинг мавҳум қайнаш ҳолатидаги бўш ҳажмнинг улушини аниқлаш мумкин:
. (4.17)
Оқимда қаттиқ заррачаларнинг концентрацияси жуда кам бўлганда, (яъни ε=1), (4.16) тенгламаси қуйидаги кўринишни эгаллайди:
. (4.18)
Ушбу тенгламадан амалиётда заррачаларнинг муаллақ ёки сузиб юрувчи тезлиги W_В ни аниқлашда фойдаланилади.
Мавҳум қайнаш жараёни қайнаш сони К_W билан белгиланади:
, (4.19)
бу ерда W – оқимнинг ускуна тўла кесимига нисбатан олинган иш тезлиги, м/с; W_К – мавҳум қайнаш қатламининг ҳосил бўлиш критик тезлиги, м/с.
Мавҳум қайнаш сони К_W заррачаларнинг қатламдаги аралашиш даражасини кўрсатади. Мавҳум қайнаш қатламида энг жадал аралашиш К_W=2 бўлганда юз беради. Лекин ҳар бир технологик жараён учун К_W нинг энг мақбул қийматини тажриба йўли билан аниқланади.

Заррачаларнинг қатламда ўртача бўлиш вақти:

, (4.20)
бу ерда G_M – қатламда бўлган қаттиқ материалнинг массаси, кг; G_С – қатттиқ материалнинг сарфи, кг/с.