برج تقطیر قسمت اول

برج تقطیر

روشھای مختلفی برای جداسازی مواد اجزای سازنده یک محلول وجود دارد که یکی از این روش ھا فرایند تقطیر میباشد در روش تقطیر جداکردن اجزاء یک مخلوط ، از روی اختلاف نقطه جوش آنھا انجام میگیرد. تقطیر در عمل به دو روش زیر انجام میگیرد. روش اول شامل تولید بخار از طریق جوشاندن یک مخلوط مایع ، سپس میعان بخار ، بدون اینکه ھیچ مایعی مجددا به محفظه تقطیر بازگردد. در نتیجه ھیچ مایع برگشتی وجود ندارد. در روش دوم قسمتی از بخار مایع شده به دستگاه تقطیر باز میگردد و به صورتی که این مایع برگشتی در مجاورت بخاری که به طرف مبرد میرود قرار میگیرد. ھر کدام از این روشھا میتوانند پیوسته یا ناپیوسته باشند.

انواع تقطیر

تقطیر ساده

اجزای سازنده محلولی از یک ماده حل شده غیر فعال را میتوان با تقطیر ساده از ھم جدا کرد. برای این کار محلول را میجوشانیم تا حلال فرار ، تبخیر و از ماده حل شده جدا شود. با سرد کردن بخار ، (میعان) ، حلال مایع جمع آوری میشود و ماده حل شده به صورت باقی مانده تقطیر باقی میماند.

تقطیر جزء به جزء

اجرای سازنده محلول شامل دو جز فرار را که از قانون رائول پیروی می کند، می توان با فرآیند تقطیر جزء به جزء از ھم جدا کرد. طبق قانون رائول ، فشار بخار محلول برابر با مجموع اجزای بخار سازنده آن است و سھم ھر جزء ، برابر با حاصلضرب کسر مولی آن جزء در فشار بخار آن در حالت خاص است.

فرایند تقطیر جزء به جزء

تقطیر جزء به جزء در ستون تقطیر سینی دار و یا پر شده انجام میگیرد، به این ترتیب که بخارات حاصل شده، از پایین به طرف بالای ستون حرکت میکند و با فاز مایعی که از میعان بخارات قبلی که در طول ستون تولید شده اند و به طرف پایین جریان دارند، در تماس میباشد و به این صورت تماس کامل بین فاز گاز و مایع برقرار میشود. درجه حرارت ھر سینی از سینی پایینی خود کمتر است، و در ستون تقطیر ، دما از پایین به بالا ، کم میگردد. بخارھایی که نقطه میعان آنھا ، مساوی درجه حرارت سینی باشد،  روی آن سینی به مایع تبدیل میشوند و روی آن جمع میگردند و به روی سینی پایینی میریزند. در نتیجه این عمل، فاز بخار که غنی از جزء سبک است از بالای ستون خارج می شود و فاز مایع که غنی از جزء سنگین است از پایین جمع آوری میگردد. بخارھای خارج شده از قسمت بالای ستون در کندانسورھا به مایع تبدیل شده، به عنوان محصول جمع آوری میگردد معمولا مقداری از این مایع جمع آوری شده جھت کنترل دمای ستون تقطیر به عنوان مایع برگشتی به داخل آن برمیگردد. قسمت بالای ستون تقطیر تا سینی که خوراک روی آن میریزد به نام منطقه” تفکیک ستون” گویند و قسمت پایین ستون مربوط به خوراک را منطقه “عریان کننده” مینامند.

تقطیر ساده پیوسته

در این روش ، مخلوط اولیه (خوراک دستگاه) بطور مداوم با مقدار ثابت در واحد زمان ، در گرم کننده گرم میشود تا مقداری از آن بصورت بخار درآید، و به محض ورود در ستون تقطیر ، جزء سبک مخلوط بخار از جزء سنگین جدا می شود و از بالای ستون تقطیر خارج میگردد و بعد از عبور از کندانسورھا ، به صورت مایع در میآید جزء سنگین نیز از انتها ستون تقطیر خارج میشود. قابل ذکر است که ھمیشه جزء سبک مقداری جزء سنگین و جزء سنگین نیز دارای مقداری از جزء سبک است.

تقطیر ساده ناپیوسته

در این روش تقطیر ، مخلوط حرارت داده میشود تا بحال جوش درآید بخارھایی که تشکیل میشود غنی از جزء سبک مخلوط میباشد پس از عبور از کندانسورھا (میعان کننده ھا) تبدیل به مایع شده ، از سیستم تقطیر خارج میگردد. به تدریج که غلظت جزء سنگین مخلوط در مایع باقی مانده زیاد میشود، نقطه جوش آن بتدریج بالا میرود. به این ترتیب ، ھر لحظه از عمل تقطیر ، ترکیب فاز بخار حاصل و مایع باقی مانده تغییر میکند.

تقطیر در خلا

با توجه به اینکه نقطه جوش مواد سنگین نفتی نسبتا بالاست و نیاز به دما و انرژی بیشتری دارند و از طرف دیگر، مقاومت این مواد در مقابل حرارت بالا کمتر میباشد و زودتر تجزیه میگردند، لذا برای جداکردن آنھا از خلا نسبی استفاده میشود. در این صورت مواد در دمای پایینتر از نقطه جوش معمولی خود به جوش می آیند. در نتیجه ، تقطیر در خلا ، دو فایده دارد: اول این که به انرژی و دمای کمتر نیاز است و دوم اینکه مولکول ھا تجزیه نمی شوند. امروزه در بیشتر موارد از تقطیر در خلا استفاده می شود. یعنی این که: ھم تقطیر جزء به جزء و ھم تقطیر آنی را در خلا انجام می دھند.

برج ھای تقطیر

بطور کلی برج تقطیر شامل 4 قسمت اصلی می باشد:

  1. برج
  2. سیستم جوشاننده (بویلر)
  3. سیستم چگالنده (کندانسور)
  4. تجھیزات جانبی شامل: انواع سیستمھای کنترل کننده، مبدلھای حرارتی میانی، پمپھا و مخازن جمع آوری محصول.

برج

بطور کلی برجھایی که در صنعت جھت انجام عمل تقطیر مورد استفاده قرار می گیرند، به دو دسته اساسی تقسیم می شوند:

  1. برج ھای سینی دار (Tray Towers)
  2. برج ھای پرشده   (Packed Towers)

برج ھای سینی دار بر اساس نوع سینی ھای به کاررفته در آن ها به 4 دسته تقسیم می شوند:

  1. برج ھای سینی دار از نوع کلاھکی (فنجانی( (Bubble Cap Towers)
  2. برج ھای سینی دار از نوع غربالی (Sieve Tray Towers)
  3. برج ھای سینی دار از نوع دریچه ای (Valve Tray Towers)
  4. برج ھای سینی دار از نوع فورانی (Jet Tray Towers)

ھر کدام از انواع برجھای مذکور دارای مزایا و معایبی ھستند که در بخشھای بعدی مورد بحث قرار خواھند گرفت.

طرز کار یک برج سینی دار

بطور کلی فرآیندی که در یک برج سینی دار اتفاق می افتد، عمل جداسازی مواد است. ھمانطور که ذکر شد فرآیند مذکور به طور مستقیم یا غیرمستقیم انجام می پذیرد. حرارت لازم را جھت انجام عمل تقطیر و تفکیک مواد ،(Reboiler)  در فرآیند تقطیر منبع حرارتی سازنده یک محلول تأمین میکند. بخار بالارونده از برج با مایعی که از بالای برج به سمت پایین حرکت می کند، بر روی سینی ھا تماس مستقیم پیدا می کنند. این تماس باعث ازدیاد دمای مایع روی سینی شده و نھایتا باعث نزدیک شدن دمای مایع به دمای حباب می گردد. با رسیدن مایع به دمای حباب به تدریج اولین ذرات بخار حاصل می شود که این بخارات غنی از ماده فرار (ماده ای که از نقطه جوش کمتری و یا فشار بالاتری برخوردار است) می باشد. از طرفی دیگر در فاز بخار موادی که از نقطه جوش کمتری برخوردار ھستند، تحت عمل میعان قرار گرفته و بصورت فاز مایع به سمت پایین برج حرکت می کند. مھمترین عملکرد یک برج ایجاد سطح تماس مناسب بین فازھای بخار و مایع است. ھر چه سطح تماس افزایش یابد عمل تفکیک با راندمان بالاتری صورت می گیرد. البته رژیم جریان مایع بر روی سینی نیز از جمله عوامل مھم بر عملکرد یک برج تفکیک می باشد. اینک به بیان عبارات و اصطلاحاتی که در این ارتباط (فرآیند تقطیر) کاربرد زیادی دارند پرداخته می شود.

خوراک

مخلوط ورودی به داخل برج که ممکن است مایع، گاز و یا مخلوطی از مایع و گاز باشد، خوراک نام دارد. معمولا محل خوراک در نقطه مشخصی از برج است که از قبل تعیین می شود. در برجھای سینی دار محل ورودی خوراک را سینی خوراک یا (Feed Tray) می نامند. از جمله  مشخصات مھم سینی خوراک این است که از نقطه نظر درجه حرارت و ترکیب نسبی (کسر مولی) ، جزء مورد نظر با خوراک ورودی مطابقت داشته باشد. البته محل خوراک ورودی به حالت فیزیکی خوراک نیز بستگی دارد. معمولا اگر خوراک بصورت مایع باشد، ھمراه با مایعی که از سینی بالایی سرازیر می شود به درون سینی خوراک وارد می گردد. اگر خوراک بصورت بخار باشد معمولا آن را از زیر سینی خوراک وارد می کنند و اگر خوراک بصورت مخلوطی از مایع و بخار باشد، بھتر است که ابتدا فاز مایع و بخار را از ھم جدا نموده و سپس به طریقی که گفته شد خوراک را وارد برج نمایند. ولی عملا به منظور صرفه جویی از ھزینه ھای مربوط به تفکیک دو فاز بخار و مایع، عمل جداسازی به ندرت صورت می گیرد.

محصول بالاسری (overhead product)

آنچه از بالای برج به عنوان خروجی از آن دریافت می شود محصول بالاسری نامیده می شود که معمولا غنی از جزئی که از نقطه جوش کمتری برخوردار است می باشد.

محصول ته مانده (Bottom product) (Reflux Ratio)

ماده ای که از پایین برج خارج می شود ته مانده یا محصول انتھایی نام دارد و معمولا غنی از جزء یا اجزائ سنگین تر (که از نقطه جوش بالاتری برخوردار می باشند) خواھد بود.

نسبت برگشت(پس ریز)

نسبت مقدار مایع برگشتی به برج بر حسب مول یا وزن به مایع یا بخاری که به عنوان محصول از سیستم خارج می شود را نسبت برگشتی می گویند و آن را با حرف R نمایش میدهند. نسبت برگشتی و اثرات آن بر شرایط کارکرد برج با افزایش نسبت مایع برگشتی تعداد سینی ھای مورد نیاز جھت تفکیک (طول برج) کاھش می یابد، اما در مقابل آن بار حرارتی کندانسور و جوش آور و مقادیر بخار و مایع در طول برج افزایش می یابد. در این صورت نه تنھا لازم است سطوح گرمایی مورد نیاز به آنھا اضافه شود، بلکه به دلیل افزایش میزان جریان مایع و بخار سطح مقطع برج نیز افزایش می یابد. ھنگامی که مقدار رفلاکس زیاد باشد تعداد مراحل و طول برج به کمترین مقدار خود می رسد و تمام محصول بالاسری به عنوان مایع برگشتی وارد برج می شود و این حالت را برگشت کامل یا (Total Reflux) می گویند.

در شرایطی که رفلاکس در کمترین مقدار خود باشد طول برج و تعداد مراحل در بیشترین مقدار خود خواھد بود و عمل تفکیک به شکل کاملی انجام نخواھد شد. مقدار عملی رفلاکس معمولا بین حالت برگشت کامل و حداقل میزان رفلاکس است. در بیشتر موارد مقدار مایع برگشتی بر روی درجه حرارت برج نیز تأثیر می گذارد. معمولا در یک برج تقطیر دمای انتھای آن به مراتب بیشتر از دمای ابتدای آن است و این اختلاف دما در طول برج وجود خواھد داشت. میزان جریان برگشتی به عنوان یک عامل کنترلی بر درجه حرارت سیستم خواھد بود.

پایان قسمت اول

مشاهده قسمت دوم

Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments