برج تقطیر

نام انگلیسی: Distillation

متداولترین روش، تبخیر و چگاش مکرر یا عمل تقطیر Distillation میباشد مزیت های عمده تقطیر عبارتند از:
– توانایی عملکرد در دامنه وسیعی از حجم خوراک ورودی (بسیاری از روشهای تقطیر، تنها در مقادیر کم خوراک ورودی بکار می روند).
– توانایی عملکرد در دامنه وسیعی از غلظت های خوراک (بعضی از روش های تقطیر می توانند حتی با خوراک نسبتاً خالص عمل کنند).
– توانایی تولید محصول با خلوص بالا ( البته بسیاری از روشهای تقطیر فقط یک جداسازی نسبی را انجام می دهند و نمی توان محصول ۱۰۰% خالص تولید کنند).
عمده حالاتی که مناسب نیست از عمل تقطیر در آنها استفاده شوند عبارتند از:
– جداسازی مواد با وزن مولکولی کم : مواد با وزن مولکولی کم در فشار بالا تقطیر می شوند تادمای چگالش آنها افزایش یافته، چنانچه ممکن شود از آب خنک (Cooling Water) و یا هوای خنک در کندانسور (Condenser) برج استفاده شود .
مواد با وزن مولکولی کم نیاز به یک مبرد در کندانسور دارند. این عمل افزایش قابل ملاحظه ای در هزینه عملیاتی دارد چراکه مبرد بسیار گران است. جذب (Absorption) و جذب سطحی (Adsorption) و جداکننده های غشای گاز، روشهای معمولی برای جداسازی مواد با وزن مولکولی کم هستند.
– جداسازی مواد با وزن مولکولی بالا و حساس به حرارت : مواد با وزن مولکولی بالا اغلب نسبت به حرارت حساس هستند و از این رو معمولاً تحت خلا تقطیر می شوند تا نقطه جوششان کاهش یابد.
– جداسازی ترکیبات با غلظت بسیار کم: تقطیر برای این منظور روش مناسبی نیست . جذب سطحی و جذب دو روش موثر در این حالت هستند.
– جداسازی دسته ای، از ترکیبات: اگر قرار باشد دسته ای از ترکیبات جداشوند. به طور مثال یک مخلوط ترکیبات حلقوی Aromatics از مخلوط زنحیره ای( Aliphatic )،تقطیر تنها می تواند بر اساس اختلاف نقاط جوش و بدون توجه به نوع ترکیبات عمل جداسازی را انجام دهد. استخراج مایع- مایع می تواند برای جداسازی دسته ای از ترکیبات بکار رود.
– مخلوط با فراریت نسبی کم یا آنها که رفتار همجوش یا آزوتروپ (Azeotropic) از خود نشان می دهند. در این حالت از تقطیر استخراجی یا تقطیر آزوتروپیک، تشکیل بلور (Crystallization) و استخراج مایع- مایع می توان استفاده کرد.
– جداسازی مایع فرار از یک ترکیب غیر فرار: این فرایند به طور معمول توسط تبخیر و خشک کردن انجام می گیرد. عوامل موثر بر تقطیر مهمترین عوامل عبارتند از:
۱- فشار عملیاتی ۲- میزان مایع برگشتی ۳- حالت خوراک ورودی
فشار عملیاتی وقتی فشار بالا می رود:
– جداسازی بسیار مشکل می شود (فراریت نسبی کاهش می یابد)؛ یعنی به سینی ها و یا جریان برگشتی بیشتری نیاز است.
– گرمای نهان تبخیر کاهش می یابد. یعنی بار حرارتی جوش آورها و کندانسورها کمتر می شود.
– دانسیته بخار افزایش می یابد و لذا قطر ستون تقطیر کمتر خواهد شد.
– دمای جوش آور افزایش می یابد. این افزایش به کمک تجزیه حرارتی مواد تبخیر شده و افزایش رسوب در لوله ها تعیین می شود.
– دمای کندانسور افزایش می یابد. بدیهی است وقتی فشار کاهش می یابد این اثرات برعکس خواهد شد.
اغلب حد پایین فشار برای اجتناب از موارد زیر تعیین می گردند:
– عملیات تحت خلا
– عملیات کندانسور در زیر دمای محیط
هر دو عملیات تحت خلا و استفاده از سیستم برودت ساز باعث افزایش هزینه می شود. برای اجتناب از این حالت، چنانچه محدودیتهای فرایند اجازه دهند، باید:
– فشار به گونه ای تنظیم شود تا نقطه جوش محصول بالای برج ۱۰ درجه بیشتر از دمای آب خنک کن در تابستان باشد تا از عملکرد کندانسور در زیر دمای محیط پرهیز شود.
– فشار در حد اتمسفر تنظیم شود تا از تقطیر در خلا جلوگیری شود.

میزان مایع برگشتی(Reflux Ratio)
هرچقدر میزان مایع برگشتی بیشتر شود طول ستون کوتاه تر و تعداد سینی ها کمتر خواهد شد ولی بار حرارتی کندانسور و جوش آور افزایش می یابد. شرایط خوراک ورودی این متغیر از اهمیت کمتری برخوردار می باشد. اگر خوراک زیر نقطه جوش باشد تعداد سینی های بالای سینی خوراک را کاهش می دهد اما سینی ها بخش پایینی سینی خوراک را افزایش می دهد ونیاز بیشتری به حرارت در جوش آور را دارد اما در کندانسور به سرمایش کمتری نیاز می باشد. خوراکی که به صورت تبخیر شده باشد عکس این ویژگی ها را دارد. کاربرد برج های تقطیر مهمترین کاربرد برج های تقطیر، در تصفیه نفت خام است. محصولات حاصل از نفت خام، نظیر بنزین ، نفت سفید ، گازوئیل ، سوختها و روغنهای روان کننده هر یک مخلوطی از صدها هیدروکربن می باشند . تعداد این سازندگان هیدروکربنی به اندازه ای زیاد است که تشخیص نوع و شماره آنها به آسانی امکان پذیر نیست.
خوشبختانه بدست آوردن مواد خاصی از این ترکیبات مورد نظر نمی باشد بلکه خواص کلی آنها مطرح است. بنابراین ویژگیهای محصولات را می توان به صورت محدوده جوش، چگالی، ویسکوزیته و غیره در نظر گرفت. برج های تقطیر در جداسازی ترکیباتی بکار می روندکه خواص آنها به نحوی است که به وسیله روشهای فیزیکی ساده نمی توان آنها را از هم جدا کرد . این روش جداسازی را بر اساس توزیع مواد بین فازهای مایع و گاز انجام می دهد و لذا در مواردی به کار می رود که کلیه سازندگان در هر دو فاز موجود باشند.شرط لازم برای اینکه بتوان از تقطیر برای جداسازی دو جزء استفاده کرد این است که نقطه جوش دو ترکیب به اندازه کافی از هم فاصله داشته باشد.

مشکلات موجود در برج های تقطیر
یکی از اشکالات موجود در برج ها پدیده ماندگی (Entrainment) می باشد که همان کشیدگی قطرات مایع توسط جریان گاز می باشد. سرعت زیاد گاز سبب می شود قطرات ریزی از مایع در گازبه طرف سینی بالا حرکت کند که باعث کاهش بازده می شود. با افزایش (Entrainment) ارتفاع مایع زیاد شده و افت فشار گاز زیاد می شود در نهایت منجر به طغیان (Flooding) می شود، که باعث انسداد برج می شود و جریان گاز از وضعیت عادی خارج شده ، مایع نیز ممکن است از لوله خروجی بالای برج خارج گردد. در صورتی که شدت گاز خیلی باشد قسمت اعظم مایع ممکن است از منافذ صفحه به پایین چکه کند (Weeping) و لذا جریان مایع در سراسر سینی وجود نخواهد داشت. اگر جریان گاز فوق العاده کم باشد تمامی مایع از منافذ به پایین ریخته و اصولاً مایعی به محل ریزش مایع نخواهد رسید .(Dumping) مسئله مکانیکی عمده ای که در سینی های دریچه ای مشاهده می شود، سایش و خوردگی پایه ها و سوراخها است. حرکت قائم دریچه و حرکت دورانی دریچه های دوار در سوراخها موجب خستگی و سایش پایه ها می شود. کنده شدن دریچه ها به همین دلیل امری رایج است و مشاهده دریچه های کنده شده در بخش مکش پمپ یا کندانسور و یا حین تعمیرات جای تعجبی ندارد.
مشکل مکانیکی رایج دیگر مسئله چسبندگی دریچه به سینی است که به دلیل تشکیل رسوبات و یا محصولات خورندگی بر روی دریچه وقتی به حالت تقریباً بسته باشد رخ می دهد. طبعاً این چسبندگی سطح معبر بخار را کاهش می دهد و باعث افزایش افت فشار می گردد. چاره کار راهبری برج با دبی بخار زیاد است . سرعت زیاد بخار موجب راندن رسوبات از لبه دریچه ها می شود . برای جلوگیری از چسبندگی، زائده های کوچکی در زیر دریچه ها پیش بینی شده که از بسته شدن کامل دریچه جلوگیری می کند. معایبی که برای سینی های نوع فنجانی (Cap Tray) ذکر شده عبارتند از:
۱- عبور پر پیچ و خم گاز توام با افت فشار زیادی است.
۲- راندمان این سینی کمتر از سینی های غربالی و دریچه ای است.
۳- دارای قیمت های بالاتری از نوع غربالی و دریچه ای هستند. در برج های پرکن (Packed) پدیده ناخواسته و رایجی که ممکن است پیش آید عبارت است از جاری شدن مایع بر روی جداره برج در عوض جاری شدن بر بستر پرکن ها. این مشکل باعث می شود که پرکن ها خشک شده و بازدهی برج به مقدار قابل ملاحظه ای پایین آید. توزیع نامناسب مایع نیز از عوامل کاهش بازده در این ستون ها به شمار می آید.

برج تقطیر سینی دار
نام انگلیسی: Tray tower

برج های سینی دار مهمترین نوع برج هایی هستند که در مراکز مهم صنعتی مانند پالایشگاه ها از آنها استفاده می شود. لفظ سینی دار به این دلیل به این برج ها اطلاق می شود که داخل برج به فواصل معینی صفحه های فلزی سوراخداری که بعداً در مورد آنها بحث می کنیم قرار داده شده است. این برج ها به ارتفاع های مختلفی ساخته می شود که ممکن است از چند متر تا بیش از ۵۰ متر متغیر باشد. قطر این برج ها نیز ممکن است تا بیش از ۵ متر هم ساخته شود.
بحث سینی ها یکی از گسترده ترین مباحث مربوط به برج است که طی سال های اخیر محققان را بر آن داشته تا سینی هایی با شکل ها و کاربردهای مختلف طراحی کنند. سینی ها را می توان به سه دسته کلی تقسیم کرد که در زیر به این تقسیم بندی اشاره می کنیم.
سینی های غربالی (Sieve Tray)
سینی غربالی عبارت است از یک صفحه مشبک که از سوراخ های آن حباب های گاز تولید و پس از گذشتن از لایه مایع روی سینی به سمت بالا حرکت می کند. از مزایای این سینی ها به می توان قیمت ارزان آنها و همچنین ظرفیت بالا در مقایسه با انواع دریچه ای (Valve) و فنجانی ( Cap) اشاره کرد. مزیت دیگر این سینی ها افت فشار کم آنها است که مجموعاً باعث شده که در طراحی ها در صورتی که مشکل عمده ای در میان نباشد به عنوان اولین انتخاب در نظر گرفته شود.

سینی های دریچه ای  (Valve Tray)
این نوع از سینی عبارت است از یک صفحه سوراخدار که هر سوراخ مجهز به یک صفحه کوچک (دیسک) متحرک است. سوراخ ها و صفحه ممکن است مدور و یا مستطیل شکل باشند. در دبی کم بخار، صفحه بر روی سوراخ مستقر شده و آنرا به نحوی می پوشاند که مایع چکه نکند. با افزایش دبیِ بخار دریچه در امتداد قائم به طرف بالا حرکت کرده و مجرا را برای عبور بخار باز می کند. حرکت قائم صفحه توسط یک قفس یا پایه های نگه دارنده محدود می شود. بعلاوه پایه ها و قفس مانع از حرکت افقی دریچه می شوند .از مزایای این سینی ها می توان به قیمت مناسب آن در مقایسه با نوع Cap Tray  اشاره کرد. یکی دیگر از مزایای این سینی انعطاف پذیری این سینی به تغییرات دبی بخار ورودی است.

سینی های فنجانی (Bubble Cap Tray)
این سینی متشکل از یک صفحه سوراخدار است که روی هر سوراخ یک لوله هدایت گاز به بالا و یک فنجان وارونه وجود دارد. شکل های متنوعی از این نوع فنجانها به بازار عرضه شده است. در سینی فنجانی معمولاً لایه ای از مایع بر روی سینی باقی می ماند و گاز خروجی از زیر فنجان باید از داخل این لایه عبور کند.
آرایش فنجان ها معمولاً به نحوی است که در رئوس یک مثلث متساوی الاضلاع قرار می گیرند . فنجان ها معمولاً به لوله بالابر گاز پیچ شده یا توسط میل های به لوله یا سینی مهار می شوند. شکاف های روی هر فنجان، مستطیلی با عرض ۰٫۳ تا ۰٫۹۵ سانتی متر و طول ۱٫۳ تا ۳٫۸ سانتی متر می باشد. فنجانهای عرضه شده به بازار از ۲٫۵ تا ۱۵ سانتی متر قطر دارند. از مزایای این سینی ها این است که اولاً نشتی مایع از طریق سوراخ های سینی وجود ندارد ، همچنین در دبی های بسیار کم گاز به خوبی عمل می کند.

برج تقطیر پرشده
نام انگلیسی: Packed Bed Tower

طرز کار برج های پر شده به همان صورت برج های سینی دار بوده و تفاوت این دو برج را می توان به صورت زیر بیان کرد:
همانطور که گفته شد در برج های سینی دار در فواصل معین صفحات سوراخداری قرار داده شده که عمل انتقال جرم بین فازها توسط آن تسهیل می شود. اما در برج های پر شده سینی وجود ندارد بلکه تمام برج از اجسامی با جنس و شکل معین پر شده است که به این اجسام پرکن (Packing) می گویند.
پرکن ها عموماً بر دو نوع منظم و نامنظم تقسیم بندی می شوند؛ پرکن های منظم طی دو دهه اخیر بازار عرضه شده اند که در برخی موارد حتی بر سینی ها نیز برتری دارند. در این برج ها نیز همانند برج های سینی دار مایع از بالا و گاز از پایین جریان پیدا می کند. توزیع مایع در برج های پرکن حائز اهمیت بسیاری است زیرا توزیع ناهمسان موجب خشک ماندن برخی قسمت های بستر و در نتیجه کاهش راندمان تماس گاز -مایع می شود .به همین خاطر انواع بسیار متنوعی از توزیع کننده ها توسط سازندگان ساخته و به بازار عرضه شده است. جهت نگه داشتن بستر پرکن یک سینی زیرین و برای جلوگیری از انبساط بستر یک سینی بالایی در برج های پرکن تعبیه می شود.. همانطور که گفته شد پرکن ها بر دو نوع منظم و نامنظم تقسیم بندی می شوند که نوع منظم آن دارای مزایای زیر است:
– افت فشار بسیار کمتر در مقایسه با سینی ها
– ارتفاع کمتر به ازاء تبادل جرم مساوی با سینی ها
– قابلیت پاسخگویی به محدوده وسیعی از دبی مایع

پرکن ها باید دارای خصوصیات زیر باشند:
۱ -سطح تماس زیادی بین مایع و گاز ایجاد کنند.
۲ -افت فشار گاز در هنگام عبور از بستر باید کم باشد.
۳ -از لحاظ شیمیایی در مقابل سیالاتی که بکار می روند بی اثر باشند.
۴ -دارای استحکام باشند تا استفاده از آن به آسانی صورت گیرد.
۵ -ارزان قیمت باشد.