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»

10.1-расм. Модда ўтказиш жараёнининг схемаси.

Тарқалувчи модда газ фазасидан (Ф_У) суюқлик фазасига (Ф_Х) ўтади. Газ фазасида тарқалувчи модда концентрацияси мувозанат концентрациясидан юқори. Тарқалувчи компонент Ф_У фазанинг марказидан ажратувчи юзага ва ажратувчи юзадан Ф_Х фазанинг марказига модда бериш жараёни орқали ўтади. Модда ўтказиш жараёнига ажратувчи юза ҳам қаршилик кўрсатади.

Модда ўтказиш жараёни ҳар бир фазадаги турбулент оқимининг структурасига боғлиқ. Гидродинамикадан маълумки, турбулент оқимида қаттиқ юза устида чегара қатлам ҳосил бўлади. Ҳар бир фазада иккита зона бор: фазанинг ядроси (ёки фазанинг асосий массаси) ва фазанинг чегарасидаги юпқа чегара қатлам. Фазанинг ядросида модда асосан турбулент пульсациялар ёрдамида тарқалади ва тарқалувчи модданинг концентрацияси (у ва х) амалий жиҳатдан ўзгармас қийматга эга бўлади. Чегара қатламда турбулент режим аста-секин сўниб боради, натижада ажратувчи юзага яқинлашган сари концентрация ўзгариб боради. Ажратувчи юзанинг ўзида модданинг тарқалиши жуда секинлашади, чунки модданинг ўтиши фақат диффузион тезлигига боғлиқ бўлиб қолади. Фазалар ўртасидаги ишқаланиш ва суюқ фаза чегарасидаги сирт таранглик таъсирида ажратувчи юза яқинида концентрация кескин, тахминан тўғри чизиқ бўйича ўзгаради.
Шундай қилиб, турбулент оқимда фазанинг марказидан фазаларни ажратувчи чегарагача (ёки тескари йўналишда) модданинг берилиши молекуляр ва турбулент диффузиялар ёрдамида амалга оширилади. Чегара қатламда эса модданинг берилиши молекуляр диффузиянинг тезлигига боғлиқ. Демак, модданинг бир фазадан иккинчи фазага ўтиш жараёнини тезлатиш учун чегара қатлам қалинлигини камайтириш ва оқимнинг турбулентлик даражасини (маълум чегарагача) кўпайтириш лозим. Оқимнинг турбулентлик даражасини кўпайтириш учун фазанинг тезлигини ошириш (маълум чегарагача) зарур бўлса, чегара қатлам қалинлигини камайтириш учун эса ташқи кучлардан (масалан, аралаштириш, ультратовуш, пульсация ёки вибрация, электромагнит майдони ва ҳоказодан) фойдаланиш мумкин.
Бир фазадан иккинчи фазага вақт бирлиги ичида ўтган модданинг массаси (М) модда ўтказишнинг асосий тенгламаси билан ифода қилинади:
М = К_УF(у – у*) , (10.1)
М = К_ХF(х – х*) , (10.2)
бу ерда К_У, К_Х – газ ёки суюқлик фазалари концентрациялари орқали ифодаланган модда ўтказиш коэффициенти; F – фазаларнинг контакт юзаси; у, х – газ ёки суюқлик фазаларидаги иш концентрациялари; у* – суюқлик фазасининг марказидаги тарқалаётган модданинг концентрациясига мос газ фазасидаги мувозанат концентрацияси; х* – газ фазасининг марказидаги тарқалаётган модданинг концентрациясига мос суюқ фазадаги мувозанат концентрацияси.
Мувозанат концентрацияларини ускуналарнинг ишлаш пайтида ўлчаб бўлмайди, уларнинг қийматлари махсус адабиётлардан олинади.
Бу (10.1) ва (10.2) тенгламаларда жараёнларининг ҳаракатлантирувчи кучи сифатида иш ва мувозанат концентрациялар (ёки аксинча) орасидаги фарқдан фойдаланилади. Концентрацияларнинг бу фарқи системанинг мувозанат ҳолатдан қанча узоқлигини билдиради.
Фазалар ажратувчи юза бўйлаб ҳаракат қилганда уларнинг концентрациялари ўзгаради, натижада жараённинг ҳаракатлантирувчи кучи ҳам ўзгаради. Шу сабабли модда ўтказишнинг асосий тенгламасига ўртача ҳаракатлантирувчи куч тушунчаси (ΔУ_ЎР ёки ΔХ_ЎР) киритилади:
М = К_УFΔУ_ЎР , (10.3)
М = К_хFΔХ_ЎР , (10.4)
Модда ўтказиш коэффициентлари (К_У ёки К_Х) вақт бирлиги ичида фазаларнинг контакт юзаси бирлигидан, жараённинг ҳаракатлантирувчи кучи бирга тенг бўлганда, бир фазадан иккинчи фазага ўтган модданинг массасини билдиради.
Физик маъноси бўйича модда бериш β ва модда ўтказиш К коэффициентлари ўртасидаги фарқ бор, бироқ иккала коэффициент ҳам бир хил ўлчов бирликларига эга: м/с, кг/(м²·с), кг/[м²·с(моль улушлар)], с/м.
(10.3) ва (10.4) тенгламалар ёрдамида фазаларнинг контакт юзаси F ва унинг қиймати орқали ускунанинг асосий ўлчамлари аниқланади. М нинг қиймати эса моддий баланс тенгламасидан топилади ёки ҳисоблаб чиқилади. Модда ўтказиш коэффициенти ва ўртача ҳаракатлантирувчи куч қийматлари тегишли тенгламалар ёрдамида аниқланади.
Модда ўтказиш ва модда бериш коэффициентлари ўртасидаги боғлиқликни аниқлаш учун фазаларни ажратувчи юзада мувозанат ҳолат ўрнатилган деб фараз қилинади. Бундай ҳолат фазаларни ажратувчи чегарадан модданинг ўтишига қаршилик йўқ деган маънони билдиради. Натижада фазавий қаршилиқларнинг аддитивлик қоидаси келиб чиқади. Бу қоидага асосан К ва β ўртасидаги қуйидаги боғлиқликлар бор:
, (10.5)
, (10.6)
бу ерда m – мувозанат чизиғи қиялиги бурчагининг тангенси.
Бу тенгламаларнинг чап томонлари модданинг бир фазадан иккинчи фазага ўтиши учун умумий қаршиликни, ўнг томонлари эса фазалардаги модда бериш жараёнлари қаршиликларининг йиғиндисини билдиради. Шу сабабли (10.5) ва (10.6) ифодалар фазавий диффузия қаршиликларининг аддитивлик тенгламалари деб юритилади.
Ҳар бир фаза диффузия қаршилигининг улуши гидродинамик шароитга, муҳитдаги диффузия коэффициентларининг қийматига ҳамда мувозанат шартларига боғлиқ. Айрим шароитларда бирор фазанинг диффузия қаршилиги иккинчисига нисбатан анча кам бўлиши мумкин. Масалан, Ф_Х фазанинг қаршилиги анча кам бўлса, бу ҳолда модда бериш коэффициенти β_Х нинг қиймати анча катта бўлади, ўз навбатида фазанинг диффузия қаршилиги 1/ β_Х жуда кичик бўлади. (10.5) тенгламадаги m/β_Х (m нинг берилган қиймати бўйича) нисбатнинг қиймати жуда кичик. Ф_Х фазадаги диффузия қаршилигини ҳисобга олмасдан қуйидаги ифодага эришамиз: К_У≈β_У. Бу шароитда модда ўтказиш жараёнининг тезлиги Ф_У фазанинг қаршилиги орқали аниқланади.
Аксинча, масалан, Ф_У фазанинг қаршилиги кам бўлса β_У нинг қиймати жуда катта, 1/ β_У·m нинг қиймати эса анча кичик бўлади. Бунда (10.6) тенгламадаги модда ўтказиш коэффициенти К_Х модда бериш коэффициенти β_Х га боғлиқ бўлиб қолади. Демак, К_Х≈β_Х. Бу иккинчи мисолда модда ўтказиш жараёнининг тезлиги Ф_Х фазанинг қаршилиги орқали топилади.
Кўпчилик шароитларда фазаларнинг контакт юзаси F ни аниқлаш қийин. Шу сабабли модда бериш ва модда ўтказиш коэффициентларини ускунанинг иш ҳажми V га нисбатан олиш қулай ҳисобланади. Ускунанинг иш ҳажми билан фазанинг контакт ўртасидаги қуйидаги боғлиқлик бор:
V = , (10.7)
бу ерда - фазаларнинг солиштирма контакт юзаси, бу ускунанинг иш ҳажми бирлигига нисбатан олинган юза, м²/м³.
Модда ўтказиш тенгламасидаги F нинг ўрнига V ни қўйиб қуйидагиларни оламиз:

М = К_У · V (у – у*) = К_УV ·V (у – у*), (10.8)

М = К_Х · V (х – х*) = К_ХV ·V (х* – х), (10.9)

бу ерда К_УV= К_У· ва К_ХV= К_Х· - модда ўтказишнинг ҳажмий коэффициентлари.

Агар вақт бирлиги ичида тарқалаётган модданинг массаси кг/с, жараённинг ҳаракатлантирувчи кучи эса кг/м³ ҳисобида ўлчанса, у ҳолда модда ўтказишнинг ҳажмий коэффициентлари қуйидагича ифодаланади:
.
β_УV ва β_ХУ нинг қийматлари тегишли критериал тенгламалар орқали топилади. Охирги тенгламалар (10.8) – (10.9) ёрдамида ускунанинг иш ҳажми V топилади, у орқали модда алмашиниш ускунасининг асосий ўлчамларини аниқлаш мумкин.