Xarakatchan nasadkali kolonnalarda massa berish va o‘tkazish koe

^{Xarakatchan nasadkali kolonnalarda massa berish va o‘tkazish koe}ffisentini aniqlash:


Ishninig nazariy asoslar
Kimyo va oziq-ovqat mahsulotlari ishlab chiqarish texnologiyasida modda almashinis h jarayoni muhim о‘rin egallaydi. Bunday jarayonlar bir fazadan ikkinchi fazaga moddalarning о‘tishiga asoslangan. Modda о‘tkazish jarayonining mexanizmi о‘zaro ta’sir qilayotgan fazalar ning agregat xolatlariga bog‘liq bо‘ladi. Bu xususiyatlarga kо‘ra faza sistemalari quyidagicha bо‘ladi;
1-Gaz-suyuqlik; 2-qattiq jism-gaz; 3-suyuqlik-bu; 4-suyuqlik-suyuqlik; 5-qattiq jism- suyuqlik.
Bu, gaz yoki tutunli gazlarning, hamda bug‘-gaz aralashmalaridagi bir va bir necha komponentlarning suyuqlikda yutilish jarayoni absorbsiya deb ataladi. Absorbsiya jarayoni gaz- suyuqlik sistemasida olib boriladi. Yutilayotgan gaz absorbtiv, yutuvchi suyuqlik absorbent deyiladi. Teskari jarayon, ya’ni yutilgan komponentlarni suyuqlikdan ajratib chiqishi desorbsiya deb ataladi. Sanoatda absorbsiya jarayoni turli maqsadlarda qо‘l aniladi: gaz aralashmalarda n qimmatbaho komponentlarni ajratib olishda, komponentlarni har hil zararli moddalardan tozalashda uchun (mineral о‘g‘itlarni olishda hosil bо‘lgan gaz aralashmalarini ftor birikmalarida n), ^{tayyor masulotlar, masalan SO}3 ^{va azot oksidlar, HCI ning suvda yutilishi natijasida sulfat, azot,} xlorid kislotalar va hakazolar olishda. Adsorbsiya, quritish ekstraksiya kabi modda almashinis h jarayonlari qattiq-jism, suyuqlik, qattiq-jism bu (gaz) fazalar sistemasida olib boriladi.
Gaz, bu yoki suyuqlik aralashmalaridan bir yoki bir necha komponentlarning g‘ovaksimo n qattiq moddaga yutilish jarayoni adsorbsiya deyiladi. Faol yuzaga ega bо‘lgan qattiq materiallar adsorbentlar deb ataladi. Yutiluvchi modda adsorbent yoki adsorbtiv deyiladi. Teskari jarayon, ya’ni qattiq adsorbsiyadan keyin olib boriladi, va kо‘pincha yutilgan komponentni adsorbentdan ajratib olish uchun (yoki adsorbentni regeneratsiya ilish uchun) xizmat qiladi. Ion almashinis h jarayoni adsorbsiyaning bir turi bо‘lib, ayrim qattiq moddalar (ionitlar) о‘zlarining xarakatchan ionlarini elektrolit eritmalardagi ionlarga almashtirish qobiliyatiga asoslangan. har bir adsorbent murakkab aralashmalarda ma’lum komponentlarni yutib, aralashmaning boshqa komponentla r iga ta’sir qilmaydi. Demak, adsorbentlar tanlovchanlik qobiliyatiga ega.
Adsorbsiya jarayoni kо‘pincha gaz va suyuqlik aralashmalaridagi yutilayot gan komponentning konsentratsiyasi kam miqdorda bо‘lganda adsorbtivni butunlay ajratib olish uchun
qо‘l aniladi. Agar ajiralayotgan komponentning konsentratsiyasi yuqori bо‘lsa, u xolda adsorbsiya qо‘l aniladi.
Adsorbsiya jarayoni gazlarni, eritmalarni tozalashda, eritmalardan qimmatbaho moddalarni ajiratib olishda, neft mahsulotlaridan hosil bо‘lgan aralashmalarni tozalashda, neftni qayta ishlash natijasida hosil bо‘lgan aralashmalarini tozalashda, neftni qayta ishlash natijasida xosil bо‘lgan gaz aralashmalaridan vodorod va etilenni, benzin fraksiyalaridan aromatik uglevodorodlarni ajratib olishda, yog‘larni vino masulotlarni, har hil meva-sabzavot sharbatlarini tozalashda kimyo oziq- ovqat sanoatining barcha tarmoqlarida keng qо‘l aniladi.
Quritish - qattiq va pastasimon materiallarni issiqlik tashuvchi agent yordamida namlik ni bug‘latish yо‘li bilan ajratib chiqarishdir. Qurituvchi agent sifatida isitilgan havo, tutunli gazlar ishlatiladi. Quritish jarayonida namlik qattiq fazadan gaz (yoki bug‘) fazasiga о‘tadi.
Nam materiallarni quritish jarayonini sanoatda tashkil etish katta ahmiyatga ega. Quritilga n materiallarni transport vositasida uzatish arzonlashadi, ularning tegishli xossalari yaxshilanadi, qurilma va trubalarning yemirilishga uchrashi kamayadi.
Ekstraksiya jarayoni «suyuqlik-suyuqlik», «qattiq jism-suyuqlik» fazalar sistemasida olib boriladi. Biror suyuqlikda erigan moddani boshqa suyuqlik yordamida ajratib olish jarayoni suyuqlikni ekstraksiyalash deb ataladi. Bunday jarayonda bir yoki bir necha komponent bir suyuq fazadan ikkinchi suyuq fazaga о‘tadi. Suyuqlikni ekstraksiyalash jarayoni neftni qayta ishlash, koks kimyo sanoatida, mineral kislotalar ishlab chiqarish va oziq-ovqat sanoatlarida keng qо‘l aniladi.
Ekstraksiya jarayonida «qattiq-jism suyuqlik» sistemasida olib borilganda - qattiq fazaning suyuqlikka (erituvchiga) о‘tishi eritish jarayoni deb ataladi. Bunday jarayonlarda qattiq, g‘ovaksimon materiallar tarkibidan bir yoki bir necha komponentlar erituvchilar yordamida ajratib olinadi. Agar eritish jarayonida qattiq faza tо‘la suyuq fazaga о‘tsa, ekstraksiyalash paytida esa, qattiq faza amaliy jihatdan о‘zgarmay oladi, faqat uning tarkibidagi tegishli komponent suyuq fazaga о‘tadi.
Qattiq moddalarni ekstraksiyalash jarayoni sanoatning turli tarmoqlarida ishlatiladi. Kimyo sanoatida ishqor, kislota va tuzlarni, oziq-ovqat sanoatida qand, о‘simlik moylari, sharbatlar vitaminlar, kimyo-farmatsevtika sanoatida turli dorivor moddalarni, gidrometallurgiyada esa rangli va nodir metallarni ekstraksiyalash usullaridan keng foydalaniladi.
Suyuq va bug‘ fazalar orasida komponentlarning о‘zaro almashinish yо‘li bilan suyuq aralashmalarini ajratish jarayoni haydash deb ataladi. Bu jarayon issiqlik ta’sirida olib boriladi, oddiy haydash (distillash) va murakkab haydash (rektifikatsiya) jarayonlari bor.
Aralashma komponentlarining uchuvchanligi о‘rtasidagi farq qancha katta bо‘lsa, bunda oddiy haydash usulidan foydalaniladi. Oddiy haydash paytida suyuqlikning bir marta qisman bug‘lanish yuz beradi. Odatda bu usul suyuq aralashmalarni keraksiz qо‘shimchalardan tozalash uchun ishlatiladi.
Suyuq aralashmalarni komponentlarga tо‘la ajratish uchun rektifikatsiya usulidan foydalaniladi. Rektifikatsiya jarayoni aralashmani bug‘latishda ajralgan bug‘ va bug‘ning
kondensatsiyalanishi natijasida hosil bо‘lgan suyuqlik о‘rtasida kо‘p marotabalik kontakt paytidagi modda almashinishiga asoslangan.
Rektifikatsiya jarayoni spirt, neft va sintetik kauchuk ishlab chiqarishda keng ishlatilad i. Bundan tashqari spirt, vino, liker-aroq, efir moylari va izotoplar, polimerlar, yarim о‘tkazgichlar ishlab chiqarishda ham rektifikatsiya usuli keng qо‘l aniladi.
Suyuq eritmalar tarkibidagi qattiq fazani kristallar olatida ajratish jarayoni kristalla nish deyiladi. Bu jarayon eritmalarni о‘ta tо‘yintirish yoki sovitish natijasida sodir bо‘ladi. Kristalla nish paytida modda suyuq fazadan qattiq fazaga о‘tadi.
Kimyo texnologiya sanoatida kristallanish jarayoni toza moddalar olish uchun keng qо‘l aniladi. Oziq-ovqat sanoatida kristallanish jarayoni qand-shakar ishlab chiarishda, glyuko za olishda, konditer sanoatida va boshqa sohalarda ishlatiladi. Membrana usuli bilan ajratish modda almashinishning yangi yо‘nalishidir. Membrana yordamida ajratish quyidagi usullar bilan amalga oshiriladi: teskari osmos, ultrabin, ultrafiltrlash, mikrofiltrlash, membrana orqali bug‘lanish, dializ, elektrodializ, gazlarni diffuziya bilan ajratish. Yarim о‘tkazuvchi membranalar yordamida uglevodorodlarni, yuqori va quyi molekulali birikmalar aralashmalarini ajratish, tabiiy gazlardan geliy va vodorodni, havodan kislorodni ajratib olish, sut mahsulotlarini, meva, sabzavot sharbatlarini va boshqa eritmalarni quyultirish, pivoni pasterizatsiya qilish, yuqori sifatli qand va shu kabi bir qator muhim vazifalarni bajarish mumkin.
Demak, sanoatdagi olib boriladigan turli xil texnologik jarayon moddalarining fizik- mexanik xossalari bilan bir-biridan keskin farqli bо‘lganda, modda о‘tkazish jarayoni orqali amalga oshiriladi. Modda о‘tkazish jarayonlari uchun ikki fazaning bо‘lishi xarakterli bо‘lib, modda bir fazadan ikkinchisiga, fazalar orasidagi chegaraviy qatlam orqali о‘tadi. Har bir fazada ikkita zona bor: fazaning yadrosi (yoki fazaning asosiy massasi) va fazaning chegarasida yupqa chegara qatlam.
Modda о‘tkazish murakkab jarayon bо‘lib, u 3 boskichdan iborat:

1. 
   Taqsimlanayotgan moddaning molekulalari, fazaning yadrosidan shu fazaning chegara qatlamiga о‘tadi;
   
2. 
   Chegara qatlamdan taqsimlanayotgan modda fazalararo chegaraviy qatlamga о‘tadi;
   

3.Fazalararo chegaraviy qatlamdan taqsimlanayotgan modda molekulalari ikkinchi fazaning yadrosiga о‘tadi.
Fazalarni ajratuvchi yuzadan moddani suyuq (yoki gaz) faza yadrosiga berilishi yoki aksincha faza yadrosidan ajratuvchi yuzaga moddaning berilishi modda berish jarayoni deyiladi.
Modda о‘tishida sistemadagi muvozanat holatining о‘zgarishi jarayonining harakatlantiruvc hi kuchi hisoblanadi. Sistemaning muvozanat holati о‘zgarganda, taqsimlanayotgan komponent konsentratsiyasi yuqori bо‘lgan fazadan, konsentratsiyasi past bulgan fazaga muvozanat holat davom etguncha о‘tadi.
Modda о‘tkazish jarayoni tezligi, sistema muvozanat holati о‘zgarishining darajasiga va fazalardagi modda almashinishning mexanizmiga bog‘liq bо‘ladi.
Moddalarning bir faza ichida tarqalishi va bir fazadan ikkinchi fazaga о‘tishi molekulyar diffuziya yо‘li bilan boradi. qо‘zalmas muhitda kо‘pincha modda molekulyar diffuz iya yordamida, harakatdagi muhitda esa, modda konvektiv diffuziya yordamida tarqaladi. Turbulent oqimda modda turbulent diffuziya orqali tarqaladi, bu holda molekulyar diffuziyaning ahmiyati juda kam bо‘lib, chegaraviy qatlamda esa, moddaning tarqalishi molekulyar diffuziyaga bog‘liq bо‘ladi. Molekula atom, ion va kolloid zarrachalar ning tartibsiz harakati ta’sirida moddaning tarqalishi molekulyar diffuziya deb ataladi.
Molekulyar diffuziya FIK ning birinchi qonuni bilan ifodalanib, quyidagi tenglama bilan ifodalanadi:

bu yerda M - bir fazadan ikkinchi fazaga о‘tayotgan moddaning miqdori, kg/s; D - proporsionallik koeffitsiyenti, molekulyar diffuziya koeffitsiyenti, m²/s; F –fazalarning tо‘qnashuv yuzasi, m²;  - moddaning о‘tish vaqti, s; -konsentratsiya gradiyenti, kg/m; n - qatlamning qalinligi, m.
Tenglamaning о‘ng tomonidagi minus ishora molekulyar diffuziyaning tarqaluvc hi komponent konsentratsiyasining kamayishi tomonga qarab borishini kо‘rsatadi.
Molekulyar diffuziya koeffitsiyenti fizik о‘zgarmas kattalik bо‘lib, moddaning diffuz iya yо‘li bilan qо‘zalmas muhitga kirish qobiliyatini belgilaydi. Diffuziya koeffitsiyenti tarqaluvc hi modda va muhitning xossalariga, temperaturaga va bosimga bog‘liq. Har bir oniy sharoit uchun D ning qiymati tajriba yо‘li bilan tenglamalar yordamida aniqlanadi.
^{Gazning boshqa biror gaz tarkibida tarqalish diffuziya koeffitsiyenti D  0,1}  ^{1,0 sm2/s,} gazning suyuqlikka о‘tish diffuziya koeffitsiyenti D = 10⁵ marta kam bо‘lib, taminan 1 sm²/sutkaga teng. Demak, molekulyar diffuziya juda sekinlik bilan boradigan (ayniqsa suyuqlikla rda)
jarayondir.
Turbulent pulsatsiya ta’siri ostida, oqimning harakatida bir fazadan ikkinchi fazaga moddaning tarqalishi turbulent diffuziya deyiladi.
Turbulent diffuziyaning tezligi oqimning turbulentlik darajasiga, jarayonning gidromexa nik rejimiga bog‘liq. Biror faza miqyosida turbulent diffuziya orqali tarqalgan moddaning miqdori quyidagi tenglama bilan topiladi:





^{bu yerda } D ^{-turbulent diffuziya koeffitsiyenti. 11.4-tenglamadan } D ^{ni aniqlanadi;}





Turbulent diffuziya koeffitsiyenti vat birligi ichida konsentratsiya gradiyenti birga teng
bо‘lganda yuza birligidan turbulent diffuziya yо‘li bilan о‘tgan moddaning miqdorini bildirad i. Turbulent diffuziya koeffitsiyenti m²/s о‘lchov birligiga ega bо‘lib, uning qiymati jarayonning gidrodinamik shart-sharoitlariga bog‘liq. Bu yerda gidrodinamik shart-sharoit oqimning tezligi va turbulentlik masshtabiga qarab aniqlanadi.
Harakatlanuvchi suyuqlik yoki gazda modda molekulyar va turbulent diffuziya lar yordamida tarqaladi bu jarayonlarning yig‘indisi konvektiv diffuziya deb ataladi. Konvektiv diffuziya konsentratsiya gradiyenti, muhitning tezligi va fizik xossalariga bog‘liq.
Fazalarni ajratuvchi yuzadan moddaning suyuq yoki gazsimon fazaning markaziga berilis hi yoki aksincha, fazaning yadrodan ajratuvchi yuzaga moddaning berilishi konvektiv diffuziya yoki modda berish jarayoni deb atalib, xuddi issiqlik almashinish jarayoniga о‘xshab, bu jarayon quyidagi differensial tenglama orqali ifodalanish mumkin





Tenglamadagi dc/d ifoda vat birligi ichida konsentratsiyasining о‘zgarishini kо‘rsatadi. Bu tenglama noturg‘un modda almashinish jarayonlari uchun xarakterlidir.
Qо‘zalmas muhitdagi modda almashinish jarayonida
^wx ^{= w}y ^{= w}z ^{= 0 bо‘lgani uchun}

Fazalar bir-biriga nisbatan ma’lum tezlikda, ya’ni turbulent rejimda harakat qiladi va ^{qо‘zaluvchan ajratuvchi yuzaga ega. Tarqaluvchi modda F}x ^{fazadan F}u ^{fazasiga ajratuvchi yuza} orqali modda berish jarayon orqali о‘tadi. Modda о‘tkazish jarayoni xar bir fazadagi turbulent oqimning strukturasiga bog‘lik. Gidrodinamikadan ma’lumki, turbulent oqimda qattiq yuza ustida chegaraviy qatlam xosil bо‘ladi.Har bir faza yadroga (yoki fazaning asosiy massasi) va fazaning chegaraviy yupqa qatlamga ega bо‘ladi. Fazaning yadrosida modda asosan turbulent pulsaiyalar ^{yordamida tarqaladi va tarqaluvchining konsentratsiyasi (s}ou ^{va s}ox^{) amaliy jihatdan о‘zgarmas} qiymatga ega bо‘ladi. Chegaraviy qatlamda turbulent rejim asta-sekin sо‘nib boradi, natijada ajratuvchi yuzaga yaqinlashgan sari konsentratsiyasi о‘zgarib boradi. Ajratuvchi yuzaning о‘zida moddaning tarqalishi juda sekinlashadi, chunki moddaning о‘tishi faqat molekulyar diffuziya ning tezligiga bog‘liq bо‘lib oladi. Fazalar о‘rtasidagi ishqalanish va suyuq faza chegarasidagi sirt taranglik kuchlari ta’sirida ajratuvchi yuza yaqinida konsentratsiya keskin, taxminan tо‘g‘ri chiziq bо‘yicha о‘zgaradi.
Shunday qilib, turbulent oqimda fazaning yadrodan fazalarni ajratuvchi chegaragacha (yoki teskari yо‘nalishda) modda berilishi parallel ravishda molekulyar va turbulent diffuziya lar yordamida amalga oshiriladi, biror fazaning asosiy massasida moddaning berilish jarayoni diffuziya yо‘li bilan boradi.
Demak, modda о‘tkazishning tezligi harakatlantiruvchi kuchga teng bо‘lgan, taqsimlanayotgan moddaning faza yadrosi bilan chegaraviy qatlamlari orasidagi konsentratssiyalari farqiga tо‘g‘ri proporsional bо‘ladi. Faza yadrosidan chegaraviy qatlamga yoki ajratuvchi yuzaga berilayotgan moddaning miqdori modda berish tenglamasi bilan aniqlanadi:^{gaz fazasi uchun, F}u

^{suyuqlik fazasi uchun, F}x

^{bu yerda M - vaqt birligi ichida berilgan moddaning miqdori; } u, ^ x ^{- gaz va suyuqlik fazalaridagi modda berish koeffitsiyentlari; (u - u}ch^{) – modda berishning F}u ^{fazadagi harakatlantiruvchi kuchi; (x}ch^{-x) – modda berishning F}x ^{fazadagi harakatlantiruvchi kuchi; u}ch ^{va x}ch ^{xar bir fazaning yadrosidagi о‘rtacha konsentratsiyasi; u}ch^{, x}ch ^{– tegishli fazalar chegarasidagi} konsentratsiyalar; F - fazalarni ajratuvchi yuza.
^{Modda berish koeffitsiyentlari (} x^{, } y^{) vat birligi ichida jarayonning harakatlantiruvc hi} kuchi birga teng bо‘lganda yuza birligidan fazalarni ajratuvchi yuzadan fazaning yadrosiga (yoki teskari yо‘nalishda – fazaning yadrosidan ajratuvchi yuzaga tomon) о‘tgan moddaning massasini bildiradi.
Modda berish koeffitsenti fizik о‘zgarmas kattalik emas, u fazaning fizik xossalariga ( zichlik, qovushoqlik va boshqalar), muhitning gidrodinamik rejimlariga, ( laminar yoki turbulent oqim )modda almashinish qurilmasining konstruktiv tuzilishiga va uning о‘lchamlariga bog‘liq bо‘lgan kinetik kattalikdir, ya’ni: