نام انگلیسی: Air cooler Heat Exchangers

یکی از وسایلی که در اکثر واحدهای پالایشگاهی و پتروشیمیایی برای کاهش دمای سیالات مورد استفاده قرار می گیرند، خنک کننده های هوایی می باشند. در خنک کننده های هوایی هوا با دمای محیط به لوله های حاوی سیال گرم برخورد کرده و باعث کاهش دمای دیواره لوله می شود و به این ترتیب دمای سیال داخل لوله کاهش می یابد. طول استاندارد لوله های مورد استفاده در مبدل های خنک کننده هوایی، معمولاً ۲۰، ۳۰ و ۴۰ فوت می باشد. یکی از مسائلی که در مورد مبدل های خنک کننده هوایی اهمیت دارد، نسبت مساحت فن به مساحت Bay می باشد. این نسبت را converge fan می گویند و در مقدار آن در مبدل های خنک کننده هوایی نباید از ۴/۰ کوچکتر باشد. معمولاً مبدل های خنک کننده هوایی در دو آرایش زیر مورد استفاده قرار می گیرند:

– Forced Draft
– Induced Draft

این مبدل ها برای کاهش دمای سیال داخل لوله ها، از هوای محیط استفاده می کنند. اجزای اصلی این مبدل ها شامل یک یا چند لوله که در معرض جریان هوای فن ها قرار دارند، تجهیزات فن و موتور آن، کنترل کننده سرعت چرخش فن و تجهیزات لازم برای هدایت جریان ها می باشد. در این مبدل ها جریان سیال گرم پس از عبور از یک نازل وارد لوله هایی می شود که در مجاورت فن قرار دارند. این لوله ها با توجه به پره هایی که روی دیواره بیرونی لوله قرار دارند، کار انتقال حرارت را سریع تر انجاممی دهند. در قسمت عبور سیال از مجاورت فن، هر مجموعه از لوله های حاوی سیال گرم را یک Bundle می نامند که خود شامل چندین لوله است. معمولاً چند Bundle به طور موازی با یکدیگر از روی فن عبور می کنند. به این مجموعه یک Bay می گویند. در بعضی موارد دو فن به صورت سری روی جریان های موازی Bundle های یک Bay عمل می کنند. این حالت شامل دو Bundle از لوله های حاوی سیال گرم است که از مجاورت دو فن سری شده عبور می کند. معولاً برای خنک کردن سیال گرم توسط مبدل هواخنک در صنعت از چند Bay که به صورت موازی قرار گرفته اند استفاده می شود. به مجموعه این Bay ها، Unit گفته می شود. قطر فن های مورد استفاده در مبدل های هواخنک در دامنه ۳ تا ۲۸ فو ت قرار دارد. با این حال معمولاً فن هایی با قطر ۱۴ تا ۱۶ فوت از بزرگ ترین فن های مورد استفاده در صنایع پتروشیمی به شمار می روند. شکل ۲ دو Bay با ۴ Bundle همانطوریکه گفته شد، هوا با دمای محیط به لوله های حاوی سیال گرم برخورد کرده و باعث کاهش دمای دیواره لوله می شود و به این ترتیب دمای سیال داخل لوله کاهش می یابد. برای افزایش میزان انتقال حرارت، از لوله های پره دار استفاده می شود. لوله های پره دار در مبدل های هواخنک به صورت های مختلفی مورد استفاده قرار می گیرند. یکی از مهمترین انواع این پره ها، پره های (Extruded fin ) می باشد که معمولاً از جنس آلومینیوم ساخته می شوند. نحوه ساخت این پره ها به این صورت است که یک لایه از فلز مربوطه را بر روی لوله قرار می دهند و سپس این لایه را با اعمال فشار توسط دستگاه دیگری روی لوله نصب می کنند. قالب این دستگاه به صورتی عمل می کند که سطح خارجی لوله در نهایت به صورت پره های مارپیچ و یا شکل های دیگر در می آید و به این ترتیب سطح خارجی لوله افزایش یابد. از این پره ها معمولاً در دمای پایین تر از ۲۰۰ درجه سانتیگراد استفاده می شود. شکل ۳ یک Unit که شامل دو Bay و شش Bundle می باشد. نوع دیگر پره های مورد استفاده در مبدل های خنک کننده هوایی، پره های (Embedded fins) می باشند. این پره ها نیز معمولاً از جنس فولاد یا آلومینیوم ساخته می شوند. این پره ها به شکل میله های نازک با سطح مقطع دایره ای یا مربعی می باشند که در داخل دیواره لوله حاوی سیال گرم فرو رفته اند. در شکل ۶، چهار مورد از انواع این پره ها به طور شماتیک نشان داده شده اند. با توجه به این شکل در می یابیم که این پره ها از تنوع زیادی برخوردارند. از این پره ها در مبدل هایی که در دماهای بالا و فرایندهای ناپیوسته کار می کنند استفاده می شود.

کارکرد و تنظیم دستگاه با تغییرات دمای هوا
خنک کننده های هوایی برای هوای گرم در تابستان طراحی شده اند و تغییرات دما در نتیجه تغییرات فصلی می تواند باعث تغییر در خنک کنندگی آنها شودکه ممکن است مطلوب نباشد. یک راه این است که میزان جریان هوا را کم کنیم تا میزان انتقال حرارت سیال داخل لوله کمتر شود. برای اینکار از موتورهای چندسرعته استفاده می شود. اغلب موتورها در دو سرعت متفاوت می توانند کار کنند. دومین راه کنترل، قرار دادن Louvers (کر کره هایی) به عنوان پوشش یا سقف بر روی قسمت لوله ها و دیگری استفاده از فن های با Pitch متغیر است (پره های فن قابلیت تغییر شیب دارند)
Louver قابلیت کنترل زیادی دارد. این کنترل می تواند به صورت دستی یا اتوماتیک توسط موتورهای الکتریکی یا سیستم های هوایی باشد که از کنترلرهای دما و فشار سیستم فرمان می گیرند. Louver ها معمولاً برای فن های با سرعت ثابت استفاده می شود. در فن های با شیب متغیر، شیب پره های فن برای تامین جریان هوای مورد نیاز با توجه به دما و فشار سیستم تغییر می کند. زاویه پره وقتی دما افت پیدا می کند کاهش می یابد و این باعث می شود فن پایین تر بیاید. موتورهای هیدرولیکی نیز می توانند سرعت فن را کاهش دهند. وقتی جریان هوای کمی مورد نیاز است، توان مصرفی فن نیز کاهش می یابد. یک راه حل دیگر برای کنترل انتقال حرارت در سیستم، کنترل جریان سیال در دو جهت است. در این مورد به جای اینکه جریان هوا (به عنوان خنک کننده سیال داخل لوله ها) کنترل شود جریان سیال گرم داخل لوله ها کنترل می شود. سیستم های دو جریانی به این صورت است که یک نازل ورودی در ته قسمت هدر وجود دارد. این نازل جریان طبیعی سیال را عکس می کند. در بعضی سیالات با ویسکوزیته زیاد گاهی اوقات این تنها راه جلوگیری از انجماد سیال است. آخرین تغییری که می توان در دمای هوا به وجود آورد مخصوصاً در آب و هوای سرد، استفاده از گردش جریان هوای گرم است. از این راه هم به خاطر کنترل دمای سیستم و هم به خاطر جلوگیری از انجماد سیال استفاده می شود. گردش هوای گرم در سیستم های با فن متغیر و Louver اتوماتیک استفاده می شود. جریان هوای گرم به دو نوع گردش خارجی و گردش داخلی تقسیم بندی می شود. گردش داخلی (Internal recirculation) به این صورت است که یک فن سرعت ثابت و یک فن سرعت متغیر با هم به کار می روند. در این حالت فن سرعت ثابت هوای نیمه پایین اتاقک را به جریان می اندازد و فن سرعت متغیر که با مد عکس کار می کند (یعنی هوا را از بالا می مکد و به طرف پایین اتاقک می دمد)، هوای گرم بالای اتاقک که توسط فن اول به بالا رانده شده را با هوای سرد ورودی از بیرون، به طرف پایین اتاقک می دمد. Louver بالای اتاقک به طور اتوماتیک توسط سنسورهای دمای سیستم کنترل می شوند. اگر دمای سیستم، افزایش Louver، ها (کرکره ها) باز می شوند. در حالت نرمال Louver کاملاً باز است و هر دو فن در حالت استاندارد سرعت هستند. خنک کننده های با گردش درونی یک حالت بین بدون گردش هوا و حالت کاملاً کنترل شده توسط گردش خارجی است. البته این روش از گردش خارجی ارزانتر است و افت فشار کمتری دارد. با این حال در این روش به طور کامل نمی توان از یخ زدگی سیال جلوگیری کرد. زیرا هیچ کنترلی روی دمای هوای خروجی نیست. در حالت گردش خارجی از دو فن با سرعتهای متغیر و در حالت نرمال روی سرعت کم با قابلیت تغییرشیب استفاده می شود. در این طرح Louver به صورت دستی باز و بسته می شود. بالاترین Louver توسط دمای، سیال کنترل می شود. وقتی دمای هوای درونی به دمای سیال نزدیک شود، louver خارجی باز می شود. این تطابق ها توسط کنترلری که روی فن قرار دارد و دمای هوا را سنس می کند انجام می شود.گردش خارجی برای کنترل دقیق دمای سیال و جلوگیری از انجماد آن کاربرد فراوان دارد. یکی از مزایای مبدلهای خنک کننده هوایی کاربرد این مبدلها در نقاط کم آب است. در نقاط کم آب، مبدلهای معمولی و برجهای خنک کننده به دلیل احتیاج زیاد به آب، نمی توانند مورد مصرف قرار بگیرند. لذا یکی از بهترین روشها برای خنک کردن سیالات بدون استفاده از آب،استفاده از مبدلهای خنک کننده هوایی می باشد. مشکلات مبدل های خنک کننده هوایی سیستم های گردش هوای گرم می توانند در هر موقعی از سال مشکل ساز باشند. این سیستم ها در تابستان به شدت از توانشان کاسته می شود. مهمترین علتهای آن را می توان به صورت زیر بیان نمود: وقتی خنک کننده های هوایی نزدیک ساختمان بلند و در مسیر پایین باد قرار گیرند، هوای گرم خروجی از خنک کننده ها توسط جریان باد حمل می شود و پس از برخورد با مانع مقداری از هوای گرم دوباره به داخل سیستم برگشت داده می شود. قرار دادن خنک کننده های هوایی دور از چنین موانعی بهترین راه حل است. خنک کننده های هوایی از نوع forced همیشه مستعد برگشت هوای گرم هستند. مخصوصاً اگر چنین خنک کننده هایی در جایی نزدیک زمین قرار بگیرند به علت اینکه اختلاف بین سرعت جریانهای هوا کم می شود برگشت هوا تبدیل به مشکل اساسی می شود. در نتیجه چنین سیستمهایی باید در ارتفاع نصب شوند. گاهی اوقات سیستم خنک کننده هوایی خشک به صورت سری با خنک کننده مرطوب به صورت سری به کار برده می شود. البته اگر نیاز به تغییر دمای زیادی در سیستم وجود داشته باشد، در این فرایند ها سیال ابتدا وارد بخش لوله های پره دار خشک و سپس وارد قسمت لوله های مرطوب می شود. بعد از اینکه رطوبت اضافی هوا توسط مه گیرهایی گرفته شد، بر روی لوله های خشک وزیده می شود. در سیستم خنک کننده های مرطوب آب به داخل هوای خنک کننده اسپری می شود و سپس هوای مرطوب به روی لوله ها دمیده می شود. البته باید جنس لوله ها از نوعی باشد که بر اثر رطوبت خراب نشود. شکل۶ – در این شکل یک مبدل خنک کننده هوایی و یک برج خنک کننده به طور مشتر ک و موازی کار سرد کردن سیال گرم ورودی را انجام می دهند. ابعاد مبدل خنک کننده هوایی طول استاندارد لوله های مورد استفاده در مبدل های خنک کننده هوایی، معمولاً ۲۰، ۳۰ و ۴۰ فوت می باشد. عرض هر Bay نیز از ۲/۱ تا ۱/۹ متر تغییر می کند. معمولاً استفاده از لوله های بلندتر باعث کاهش هزینه ساخت مبدل خنک کننده هوایی می شود. قطر لوله های مورد استفاده در مبدل خنک کننده هوایی در دامنه ۱۶ تا ۳۸ میلی متر می باشد. ارتفاع پره لوله ها نیز در دامنه ۷/۱۲ تا ۴/۲۵ میلیمتر قرار دارد. تعداد این پره ها در هر یک اینچ از طول لوله FPI (Fin Per Inch)، از ۸ تا ۱۱ پره تغییر می کند. استفاده از پره ها به طور موثری باعث افزایش سطح خارجی لوله می شود به طوریکه مساحت خارجی یک لوله پره دار شده می تواند ۱۲ تا ۲۵ برابر مساحت خارجی لوله بدون پره باشد. نحوه قرار گرفتن لوله ها معمولاً به صورت مثلثی شکل می باشد و فاصله ای در حدو د ۶/۱ تا ۴/۶ میلی متر بین پره های لوله های مجاور در نظر گرفته می شود. در مبدل های خنک کننده هوایی افزایش تعداد لوله ها باعث افزایش سطح خارجی لوله ها و باعث افزایش سرعت سیال در لوله ها به واسطه کاهش قطر لوله ها می شود که این موارد باعث افزایش میزان انتقال حرارت می گردد. از طرف دیگر افزایش تعداد لوله ها باعث افزایش افت فشار در لوله ها، افزایش هزینه ساخت مبدل و افزایش مقدار توان مصرفی مورد نیاز برای فن می گردد. با این توضیحات واضح است که در طراحی مبدل خنک کننده هوایی با در نظر گرفتن این اثرات باید تعداد بهینه لوله ها تعیین گردد. با توجه به لزوم منطقی بودن نسبت طول به عرض در مبدل های خنک کننده هوایی معمولاً ۳ تا ۸ ردیف لوله های فین دار، برای هر فن مورد استفاده قرار می گیرند. لازم به ذکر است که استفاده از چهار ردیف لوله از سایر موارد متداولتر است. در این قسمت از مبدل ها با توجه به وضعیت صفحه Pass Partition، چگونگی حرکت سیال در لوله ها تعیین می شود. پره های آلومینیومی معمولاً برای لوله ها استفاده می شود تا سطح بیشتری را در برابر هوا ایجاد کند و ضریب انتقال گرمای نسبتاً پایین هوا را جبران کند. فین ها انواع مختلفی دارند که متداولترین آنها Extrude fin است که از این فین ها به خاطر اقتصادی بودنشان بیشتر استفاده می شود. قطر پایه ای لوله ها حدود تا ۸/۵ اینچ می باشد ارتفاع فین ها حدود ۱ – in است. معمولاً هدر از جنس کربن استیل و فین ها از جنس آلومینیوم ساخته می شوند. آلیاژ برنج و استیل نیز دارای خواص مشابهی هستند ولی هردو گرانتر از کربن استیل می باشند. اقتصادی ترین و متداولترین نوع قرار گرفتن فن ها به صورت افقی هستند. البته برای سیالاتی که قابلیت انجماد دارند. لوله باید حداقل شیب ۱/۸ اینچ داشته باشد. در اغلب موارد مشکل انجماد به و جود نمی آید به خاطر همین و به خاطر هزینه بر بودن این روش معمولاً لوله ها به صورت افقی قرار داده می شوند. سیستم های عمودی و زاویه دار برای مواقعی که ماکزیمم راندمان مورد نیاز است (به طور مثال در سیستم های مایع سازی) بکار برده می شوند. اغلب سیستم های زاویه دار، زاویه ای در حدود ۳۰ درجه با افق می سازند.

مبدل خنک کننده هوایی مکنده
نام انگلیسی: Induced Draft Air Cooler

در این آرایش لوله ها در قسمت مکنده فن قرار دارند یعنی فن بالای مجموعه لوله ها قرار می گیرد. نوع induced دارای مزایا و معایبی است. در این نوع، هوا در قسمتهای مختلف اطراف لوله ها به نحو مناسبی توزیع می شود و امکان برگشت هوای گرم به قسمت هواگیری فن کمتر است. تاثیر خورشید و باران و تگرگ بر روی لوله ها نیزکمتر است زیرا ۶۰% سطح پوشیده است و تاثیر جریان طبیعی در سیستم بیشتر است. معایب این سیستم نیز به شرح زیر است: توان مصرفی بیشتری مورد نیاز است زیرا فن در معرض هوای گرم عبوری از لوله ها قرار دارد. دمای هوای گرم خروجی از قسمت تیوبها باید تا حدود f200 محدود شود. زیرا امکان خراب شدن پره ها و یاتاقان و تسمه و دیگر قطعات فن در جریان هوای گرم وجود دارد. عیب دیگر این است که قطعات فن برای تعمیر، کمتر در دسترس هستند.

مبدل خنک کننده هوایی دمنده
نام انگلیسی: Forced Draft Air Cooler

در این آرایش لوله ها در قسمت دمنده فن قرار دارند یعنی فن زیر مجموعه لوله ها قرار می گیرند. در نوع Forced لوله ها در قسمت بالایی فن قرار می گیرند. به این ترتیب در اثر گرم شدن هوای ورودی، در بالای لوله ها مکش طبیعی هوا به سمت بالا صورت می گیرد. لذا توان مصرفی فن کمتر خواهد شد. از طرف دیگر در این نوع از مبدل ها قطعات فن برای تعمیر، به راحتی در دسترس هستند. در ضمن این نوع مبدل ها دارای سازگاری بیشتری در مناطق سردسیر می باشند. اما این سیستم برخلاف مزایای ذکر شده دارای معایبی هم هست از آن جمله می توان به عدم توزیع مناسب هوا در بین لوله ها و امکان برگشت هوای گرم به خاطر سرعت کم هوای خروجی از قسمت لوله ها اشاره کرد. در ضمن به خاطر اینکه لوله ها د ر معرض نور خورشید، باران و تگرگ قرار دارند میزان استهلاک بالا می رود.

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.

نام انگلیسی: Tower
اساس کار برج ها افزایش سطح تماس بین فازها می باشد که این افزایش ممکن است توسط سینی یا پرکن تامین شود. چگونگی تماس گاز و مایع بسته به نوع وسیله متفاوت است. در ساخت برج ها بر حسب شرایط عملیاتی و خوردگی می توان از انواع مواد مانند شیشه، فلزات، فلزات با آستر شیشه ای، کربن نفوذ ناپذیر و … استفاده کرد. عموماً شکل برج ها به صورت استوانه ای است . سینی ها عموماً از ورق های فلزی و در صورت لزوم از آلیاژهای بخصوص ساخته می شوند. معمولاً برج های جداسازی ، بر اساس عملیات انتقال جرمی که بین فازها انجام می شود و بیشتر در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند به برج های تقطیر ، برج های استخراج و برج های جذب و دفع تقسیم بندی می شوند. مقدمه: یکی از مهمترین فرایندهایی که در صنایع مربوط به نفت انجام می شود، جداسازی های اجزای موجود در یک ترکیب است که هر کدام از این اجزاء می توانند ارزش بسیار بالایی در مقایسه با ترکیب اولیه داشته باشند. اگر مخلوطی که جداسازی می شود همگن باشد جداسازی می تواند تنها با افزودن و یا ایجاد فاز دیگری در سیستم انجام شود. به عنوان مثال در جداسازی یک مخلوط گازی، فاز دیگر می تواند به وسیله چگالش جزئی انجام شود. بخار حاصل از چگالش جزئی، غنی از ترکیبات فرار و مایع حاصله غنی از ترکیبات با فراریت کمتر خواهد بود. به عنوان یک روش دیگر به جای تولید یک فاز اضافی می توان به مخلوط گازی فاز جدیدی نظیر یک حلال را افزود که به طور انتخابی یکی یا چند تا از ترکیبات مخلوط را در خود حل کند . در اینجا یک مرحله جداسازی دیگری خواهیم داشت تا حلال را از سیال حل شده در آن جدا کرده و برای استفاده مجدد به دستگاه جداساز برگردانیم. در صورتیکه یک مخلوط ناهمگن داشته باشیم، جداسازی می تواند به طور فیزیکی و با استفاده از تفاوت دانسیته بین فازها انجام گیرد. جداسازی برای مخلوط های زیر صورت می گیرد:

۱ -جداسازی مخلوط های ناهمگن
۲ -جداسازی مخلوط های همگن

جداسازی فازهای مختلف یک مخلوط ناهمگن باید قبل از جداسازی مخلوط های همگن انجام گیرد زیرا این جداسازی هم ساده بوده و هم باعث تسهیل در جداسازی همگن خواهد شد. روش های جداسازی ممکن است به صورت پیوسته، نیمه پیوسته و غیرپیوسته صورت گیرد. جداسازی فازی که احتمالاً باید انجام گیرد عبارتند از:

– بخار/ مایع،
– مایع/ مایع،
– جامد/ مایع،
– جامد/گاز
– جامد/ جامد

حالات بالا بخار/ مایع، مایع/ مایع، که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند، مورد بررسی قرار می گیرند. دستگاه های بکار رفته در عملیات گاز/مایع به دو دسته تقسیم می شوند:
-دستگاه هایی که در آنها گاز پراکنده می شود: در این گروه مخازنی که در آنها حباب گاز ایجاد می شود و یا مخزن مجهز به همزن و انواع برج های سینی دار را می توان نام برد. در این دستگاه ها فاز گاز به صورت حباب یا کف در فاز مایع پراکنده می شوند.
-دستگاه هایی که در آنها فاز مایع پراکنده می شود: این گروه شامل دستگاه هایی می شود که در آنها مایع به صورت یک فیلم نازک و یا به صورت قطره ای درآمده و در فاز گاز پراکنده می شود.
در این میان برج های دیواره مرطوب، برج های پاششی و پاشنده ها و نیز ستون های پر شده را می توان نام برد. ستون های پر شده مهمترین نوع دستگاه های این گروه به حساب می آیند. معمولاً برج های جداسازی، بر اساس عملیات انتقال جرمی که بین فازها انجام می شود و بیشتر در صنعت مورد استفاده قرار می گیرند به صورت زیر تقسیم بندی می شوند.
الف – برج های تقطیر
ب – برج های استخراج
ج – برج های جذب و دفع

نام انگلیسی: Absorption and excretion

جذب گاز فرایندی است که در آن یک مخلوط گازی در تماس با یک حلال مایع قرار می گیرد تا به طور انتخابی یک یا چند جزء مورد نظر از مخلوط گازی را در خود حل کند. اغلب فرایند های جذب به یک ماده خارجی نیاز دارند که به فرایند وارد شده و به عنوان حلال مایع عمل می نماید. نظر به اینکه اصول فرایند های جذب و دفع یکسان است هردو فرایند به طور همزمان بررسی می شود. دبی مایع و گاز، درجه حرارت و فشار متغیرهای مهمی هستند که باید تعیین شوند. هرچقدر ضریب جذب بزرگتر باشد به عنوان مثال با افزایش مقدار مایع ، طول ستون جذب یا تعداد سینی های مورد نظر برای جذب کاهش می یابد. درجه حرارت: در جذب کاهش دما حلالیت جزء مورد نظر ( گاز ) را در مایع افزایش می دهد .یعنی در جذب کاهش دما و در دفع افزایش دما مطلوب خواهد بود. فشار: فشار بالا منجر به افزایش حلالیت ماده حل شونده(گاز) در مایع می شود.یعنی در جذب افزایش فشار و در دفع کاهش فشار مطلوب خواهد بود(عکس دما). یکی از مهمترین مباحث مربوط به برج های جذب انتخاب حلال می باشدکه بر اساس معیارهای زیر صورت می گیرد:

۱ -حلالیت گاز: حلالیت گاز در حلال مایع باید بالا باشد تا شدت جذب گاز زیاد و مقدار مصرفی حلال مورد نیاز کم شود. معمولاً حلالی که از نظر طبیعت شیمیایی مشابه ماده حل شونده باشد، امکانات زیادی را جهت انحلال حل شونده فراهم می سازد.
۲ -فراریت: فشار بخار باید کم باشد، زیرا گاز خروجی از یک فرایند جذب معمولاً از بخار حلال اشباع است و لذا اتلاف حلال در صورت بالا بودن فشار بخار آن زیاد خواهد بود.
۳ -قیمت: حلال نباید گران بها باشد تا اتلاف آن هزینه زیادی را ایجاب نکند و به علاوه به آسانی تهیه شود.
۴ -ویسکوزیته: کم بودن ویسکوزیته به دلایل تسریع به سرعت جذب، افت فشار کم در تلمبه کردن و خواص مفید در انتقال حرارت، ترجیح داده می شود.
۵ -خواص متفرقه: حلال در صورت امکان نباید سمی و آتش گیر باشد. باید از نظر شیمیایی پایدار بوده و نقطه انجماد آن نیز پایین باشد. همچنین خاصیت خورندگی بالایی نداشته باشد.

برج های جذب و دفع گاز نحوه کار برجهای جذب دقیقاً همانندبرجهای تقطیر است،بنابراین به توضیح مختصری بسنده می کنیم .همانند شکل ۴۰ گاز از پایین و مایع از بالا وارد برج شده و انتقال جرم بین فازها به وسیله پرکن ها تقویت می شود. دستگاه متداول در جذب گاز برج پرکن است. این دستگاه از یک ستون یا برج استوانه ای تشکیل شده که شامل ورودی گاز و فضایی برای توزیع آن در قسمت تحتانی، ورودی مایع و توزیع کننده در قسمت فوقانی،خروجی های گاز و مایع به ترتیب در قسمت فوقانی و تحتانی و توده جامد نگه دارنده ای به نام پرکن های برج است. مایع ورودی که حلالی خالص یا محلول رقیقی از ماده حل شده می باشد توسط توزیع کننده در بالای پرکن ها توزیع می شود و سطوح پرکن ها را به طور یکنواخت مرطوب می کند. گاز حاوی ماده حل شده یا گاز غنی شده، وارد فضای زیر پرکن ها می شود و مخالف جریان مایع از روزنه های موجود در پرکن ها بالا می رود. پرکن ها سطح تماس زیادی بین مایع و گاز فراهم می کنند و تماس نزدیک بین فازها را تقویت می نمایند . ماده حل شده در گاز غنی شده توسط مایع تازه ای که وارد برج می شود جذب و گاز رقیق از بالا خارج می شود . هرچه مایع به طرف پایین برج حرکت می کند از ماده حل شده غنی تر می گردد.
تقسیم بندی این نوع از برج ها همانند برج های تقطیر است یعنی شامل برج های سینی دار و پرکن هستند. یکی از مشکلاتی که ممکن است در مورد پرکن های فلزی رخ دهد، خوردگی است . در برج هایی که حاوی محیط خورنده ای هستند معمولاً از پرکن های غیر فلزی مانند سرامیک استفاده می شود. مشکلات برج های تقطیر پر شده در اینجا نیز صادق است، مثلاً ممکن است مایع به جای انکه پرکن ها را مرطوب کند بر روی جداره برج جاری شود. این مشکل باعث پایین آمدن بازده به مقدار زیادی می شود.