یکی از مهم ترین تجهیزات مورد استفاده در صنایع شیمیایی برج تقطیر است. از این تجهیز سال هاست برای جداسازی محلول‌های مایع – گاز از یکدیگر استفاده می شود. هرچه زمان می گذرد تکنولوژی‌های مربوط به طراحی و ساخت برج تقطیر پیشرفت می کند.نحوه ساخت برج تقطیر و طراحی آن، وابستگی‌های زیادی به پارامترهای مختلف دارد. پیشرفت های این حوزه هزینه ساخت کمتر، راندمان بالاتر و مصرف انرژی کمتر را به همراه خواهد داشت.
نحوه ی کار برج تقطیر
تقطیر روشی پرکاربرد برای جداسازی مخلوط ها بر اساس تفاوت در شرایط لازم برای تغییر فاز اجزای مخلوط است. برای جدا کردن مخلوطی از مایعات، مایع را می توان حرارت داد تا اجزایی را که دارای نقطه جوش متفاوتی هستند، وارد فاز گاز کرد. سپس گاز به شکل مایع متراکم شده و جمع آوری می شود. تکرار فرآیند بر روی مایع جمع آوری شده برای بهبود خلوص محصول را تقطیر مضاعف می گویند. اگرچه این اصطلاح بیشتر در مورد مایعات به کار می رود، فرآیند معکوس می تواند برای جداسازی گازها با مایع کردن اجزا با استفاده از تغییرات دما و/یا فشار استفاده شود.
انواع تقطیر
تقطیر ساده
زمانی که نقطه جوش دو مایع به طور قابل توجهی با یکدیگر متفاوت است یا برای جدا کردن مایعات از جامدات یا اجزای غیرفرار ممکن است از تقطیر ساده استفاده شود. در تقطیر ساده، مخلوطی گرم می شود تا فرارترین جزء از مایع به بخار تبدیل شود. بخار بالا می رود و وارد یک کندانسور می شود.
تقطیر با بخار
تقطیر با بخار برای جداسازی اجزای حساس به حرارت استفاده می شود. بخار به مخلوط اضافه می شود و باعث می شود مقداری از آن تبخیر شود. این بخار سرد شده و به دو بخش مایع تبدیل می شود. گاهی اوقات اجزا به طور جداگانه جمع آوری می شوند، یا ممکن است مقادیر چگالی متفاوتی داشته باشند، بنابراین به تنهایی از هم جدا می شوند.
تقطیر جزء به جزء
این تقطیر زمانی استفاده می شود که نقطه جوش اجزای یک مخلوط به یکدیگر نزدیک باشد. برای جداسازی اجزاء از یک برج تقطیر استفاده می شود. در تقطیر جزئ به جزء، یک مخلوط گرم می شود تا بخار بالا آید. همانطور که بخار سرد می شود، بر روی پکینگ ستون کندانس می شود. گرمای بخار افزایش یافته باعث می شود که این مایع دوباره تبخیر شود و آن را در امتداد ستون حرکت دهد و در نهایت نمونه خلوص بالاتری از جزء فرارتر مخلوط به دست آید.
تقطیر تحت خلاء
تقطیر تحت خلاء برای جداسازی اجزایی که نقطه جوش بالایی دارند استفاده می شود. کاهش فشار دستگاه نقطه جوش را کاهش می دهد. تقطیر تحت خلاء به ویژه زمانی مفید است که نقطه جوش معمولی از دمای تجزیه یک ترکیب بیشتر شود.
برج تقطیر چگونه اجزا را جداسازی می کند؟
اساس کار برج تقطیر، فراریت اجزا است. در آن مواد ورودی به وسیله ی ریبویلر حرارت را دریافت می کنند. اجزای فرارتر و با نقطه جوش کمتر، زودتر تبخیر شده و از بالای برج خارج می شوند. به همین دلیل در ساخت برج تقطیر ریبویلر اهمیت ویژه ای دارد. برای خلوص بیشتر و ایجاد پایداری برج نیز، مقداری از مایع خالص بالای برج به درون آن بازگردانده می شود.
کاربرد برج تقطیر
کاربرد برج تقطیر در جداسازی مخلوط سیالات از یکدیگر است. به عنوان مثال در خط تولید الکل و خط تولید اتیل استات و نیز خط تولید جداسازی هیدروکربن ها و تصفیه روغن سوخته از این تجهیز استفاده میشود.
جنس مواد انتخاب شده در ساخت برج
جنس مواد انتخاب شده معمولا بستگی به نوع سیال و نیز کاربرد آن دارد. برای صنایع غذایی مانند خط تولید الکل و خط تولید حلال ها مانند خط تولید اتیل استات معمولا از برج تقطیر با جنس استیل ۳۱۶ استفاده می شود. برای انتخاب بهترین متریال برای ساخت با کارشناسان شرکت سامیار تماس بگیرید…
تقسیم بندی برج‌های تقطیر
برج‌های تقطیر دسته بندی‌های متفاوتی دارند. برج‌های تقطیر اتمسفریک یا تقطیر در خلأ، برج‌های پیوسته یا ناپیوسته، برج‌های سینی‌دار یا پکینگ دسته‌بندی‌های رایج این برج‌ها هستند. انتخاب هر کدام از این برج‌ها، وابسته به سیال تقطیرشونده و ارزش محصولات ما دارد. به طور مثال برج تقطیر در خلأ زمانی استفاده میشود که محصول ما ارزش بالایی داشته باشد. زیرا استفاده از این برج هزینه بیشتری را به دنبال دارد. سینی‌های مورد استفاده در برج‌ها نیز به دسته‌های غربالی، کلاهکی، دریچه‌ای و فورانی تقسیم می‌شوند.
نکات ساخت برج تقطیر
در ساخت برج های تقطیر پیوسته و ناپیوسته باید نکاتی در نظر گرفته شود. این نکات از اصول کار برج تقطیر پیوسته و ناپیوسته سرچشمه می گیرد. در برج تقطیر پیوسته از ابزاردقیق مختلفی استفاده می شود. جایگاه تمامی این ابزار در برج باید در نظر گرفته شود. از طرف دیگر برج های تقطیر ناپیوسته ابزاردقیق بسیار کمتری دارند.
نکات طراحی برج تقطیر
در طراحی برج تقطیر پیوسته و ناپیوسته فشار، دما، سینی ورودی خوراک و … اهمیت ویژه ای دارد. در نظر نگرفتن هریک از این پارامترها، خسارات جبران ناپذیری وارد می کند. بهینه سازی این فاکتورها در طراحی و شبیه سازی برج تقطیر، به یک برج با کمترین متریال سازنده و بیشترین راندمان کاری خواهد انجامید. این امر علاوه بر افزایش راندمان، به کاهش قیمت ساخت یک برج نیز منجر خواهد شد.
بررسی تفاوت هزینه برج های پیوسته و ناپیوسته
ساخت برج های پیوسته و ناپیوسته از لحاظ هزینه تفاوت زیادی ندارد. در برج های پیوسته، ابزاردقیق و در برج های ناپیوسته، هزینه ی ریبویلر برج بخش عمده ای از هزینه را در بر می‌گیرد.
مقایسه برج تقطیر پکینگ و سینی دار از لحاظ موارد کاربرد
هرکدام از این برج‌ها دارای ویژگی‌ها و مزایای خاصی هستند که منجر به استفاده گسترده آن‌ها در صنایع مختلف شده است.
برج تقطیر پکینگ
برج تقطیر پکینگ در عملیات تقطیر و فرایندهایی که نیاز به تبادل جرم بالا دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. مثال‌هایی از کاربردهای برج تقطیر پکینگ شامل تقطیر فراورده های نفتی، تصفیه گاز طبیعی، تصفیه آب و تصفیه هوا می‌شوند.
تقطیر پکینگ با استفاده از ماده‌های پکینگ، سطح زیادی را برای تماس بین فازهای گازی و مایع فراهم میکند و باعث بهبود عملکرد جداسازی میشود. همچنین، قابلیت تنظیم کارایی جداسازی با تغییر نوع و ترتیب ماده‌های پکینگ در برج وجود دارد.
برج تقطیر پکینگ به دلیل ابعاد کوچکتر و ساختار ساده‌تر در مقایسه با برج سینی دار، هزینه‌های ساخت و نگهداری کمتری دارد. همچنین، قابلیت سازگاری با دبی‌های متفاوت و قابلیت تطبیق با شرایط متغیر به عنوان یک مزیت مهم آن محسوب میشود.
از لحاظ خوردگی و تعویض قطعات و تعمیر برج، برج پرشده بسیار انعطاف پذیر است.
برج سینی دار
برج سینی دار در فرایندهایی که نیاز به جداسازی دقیق‌تر و کنترل بهتر دما، فشار و میزان مخلوط‌ها دارند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. مثال‌هایی از کاربردهای برج سینی دار شامل تصفیه بنزین، تصفیه آب در صنایع شیمیایی و فرایندهای خوراک‌دهی در پالایشگاه‌ها می‌شوند.
سینی دار با استفاده از سینی‌های خمیده یا صاف، تماس مواد در تمام برج را فراهم میکند و فرآیند جداسازی را انجام می‌دهد. انتخاب نوع و ساختار سینی‌ها بر اساس خواص مواد و ویژگی‌های فرآیند صورت می‌گیرد.
برج سینی دار به دلیل دقت بالا در جداسازی، قابلیت کنترل بیشتر و توانایی کارکرد در فشارها و دماهای بالا، برای فرایندهایی که نیاز به شرایط دقیق دارند، مناسب است.
هرچند برج سینی دار هزینه‌های ساخت و نگهداری بیشتری نسبت به برج تقطیر پکینگ دارد، اما قابلیت ارتقاء و تعمیرات ساده‌تر آن میتواند در بلندمدت بازدهی مطلوبی را فراهم کند.
به طور کلی، برج تقطیر پکینگ برای فرایندهایی با تبادل جرم بالا و هزینه کمتر مناسب است، در حالی که برج سینی دار برای جداسازی دقیق و کنترل شرایط فرآیند انتخاب مناسبی است. انتخاب بین این دو برج بستگی به نیازهای خاص فرآیند و مشخصات فیزیکی و شیمیایی مواد واکنش دارد.
اگر بخواهیم از نظر تلرانس دبی جریان مقایسه کنیم خواهیم دید که برج سینی دار انعطاف پذیری بیشتری دارد.
انواع سینی در طراحی و ساخت برج تقطیر
سینی‌های درپوش حباب دار (bubble cap)
در این سینی، بخارات از طریق مناذی به داخل یک کلاهک بالا می روند، سپس از شکاف ها یا سوراخ های درپوش خارج می شوند و از طریق مایع اطراف سینی تولید حباب می کنند. بخارات برای اختلاط و انتقال جرم در تماس با مایع، به صورت حباب وارد می‌شوند. سینی های درپوش حباب دار یکی از متداول ترین سینی ها در طراحی و ساخت برج تقطیر به شمار میروند.
سینی غربالی (Sieve tray)
این نوع سینی ها ساده ترین نوع سینی در طراحی و ساخت برج تقطیر با جریان متقاطع است. سینی شامل سوراخ‌های کوچک گرد و سوراخ‌هایی (⅛ تا ۱ اینچی) روی سطح سینی است. بخار از طریق سوراخ‌های کوچک روی کف سینی بالا می‌آید و به روشی نسبتاً یکنواخت از طریق مایع حباب می‌زند. سرعت بخار باعث می شود که مایع از سوراخ ها به سمت پایین جریان پیدا نکند.
سینی دریچه ای (Valve tray)
دهانه های سینی سوپاپ دار با درپوش های قابل جابجایی پوشانده شده اند که خود را با توجه به جریان بخار تنظیم می کنند. دریچه‌های سینی یا درپوش‌ها با نرخ بخار کم بسته می‌شوند، بنابراین از حرکت مایع از سینی به پایین جلوگیری می‌کنند. با افزایش نرخ بخار، سوپاپ بلند می شود و فضای باز برای جریان بخار نیز افزایش می یابد.
در سینی‌های سوپاپ دار، دهانه‌ها ممکن است بر اساس جریان بخار تغییر کنند. بنابراین سینی‌ها می‌توانند در محدوده وسیعی از نرخ جریان با راندمان جداسازی بالا و انعطاف‌پذیری زیاد کار کنند. به دلیل انعطاف پذیری و قیمت مناسب، سینی های سوپاپ دار را میتوان با سینی های درپوش حباب دار در طراحی و ساخت برج تقطیر جایگزین کرد. همچنین سطح دهانه برای حفظ تعادل فشار دینامیکی در سراسر صفحه تغییر می کند.
برخی از پارامترهای مؤثر در نحوه ساخت برج تقطیر
جنس دیواره برج
جنس دیواره برج تقطیر، بستگی به مواد تقطیرشونده دارد. چنانچه این مواد خورنده باشند نمی‌توان از هر متریالی جهت ساخت برج تقطیر استفاده کرد. مواد سازنده برج تقطیر باید به گونه‌ای باشد که بتواند فشار مورد نیاز را تحمل کند. همچنین می‌بایست در برابر دما مقاومت مناسبی داشته باشد. ممکن است دما در یک برج تقطیر به مقدار بسیار بالایی برسد. لذا در انتخاب جنس دیواره برج تقطیر باید دقت زیادی را مدنظر قرار داد.
تأثیر قطر برج بر نحوه ساخت برج تقطیر
تعیین این پارامتر از تأثیرگذارترین عوامل در نحوه ساخت برج تقطیر است. به طوری که تغییر این پارامتر باعث تغییر در ادامه طراحی میشود. لذا تعیین درست و دقیق آن طبق استانداردهای طراحی بسیار مهم است. فاکتور اصلی برای تعیین قطر برج سرعت فاز بخار سیال است که تعیین این مقادیر باید بهینه شوند. تعیین درست قطر، میتواند از وقوع پدیده‌های طغیان و یا افت فشار زیاد جلوگیری کند. در بعضی از برج‌ها نیز برای بهینه‌سازی شرایط قسمت بالا و پایین برج دارای دو قطر متفاوت است. انتخاب الگوی جریان در درون برج، مساحت سینی‌ها و… از فاکتورهایی هستند که به طور مستقیم با قطر برج محاسبه می‌شوند.
تأثیر فاصله سینی‌ها بر نحوه ساخت برج تقطیر
فاصله نامناسب سینی‌ها باعث عدم دستیابی به کیفیت مطلوب محصول میشود. در صورتی که سیال مایع نتواند به طور بهینه‌ای با سیال گازی در تماس باشد، انتقال جرم به درستی انجام نمی‌شود. تعیین فاصله سینی‌ها به طور مستقیم با ارتفاع برج مرتبط است. نحوه ساخت برج تقطیر بسیار متأثر از فاصله بین سینی‌هاست. هرچه فاصله سینی‌ها بیشتر باشد در نتیجه افزایش ارتفاع و افزایش هزینه ساخت را خواهیم داشت. فاصله سینی‌ها می‌بایست بهینه شده و از حد خاصی نباید تجاوز کند. افت فشار سیال بر روی سینی‌ها نیز مسئله‌ای است که فاصله، نوع و نحوه قرارگیری سینی‌ها تأثیر بسزایی روی آن دارد.
تعیین رفلاکس
برای دستیابی به کیفیت بالاتر برای محصولات، در اغلب فرایندها از رفلاکس استفاده میشود. در صورت تنظیم دقیق رفلاکس، علاوه بر رساندن محصول به کیفیت مطلوب میتواند دمای برج را نیز تنظیم کند. زیرا جریان‌های رفلاکس از مبدل‌های حرارتی عبور میکند و دمای آن افت میکند. با بازگشت این جریان با دمای پایین‌تر میتواند از افزایش بیش از حد دما جلوگیری کند.
تجهیزات جانبی
برای فراهم آوردن یک شرایط عملیاتی مناسب برای یک برج، تجهیزات دیگری نیز برای این کار نیاز است. ریبویلر و کندانسور از تجهیزات جانبی برج‌ها هستند که این تجهیزات نیز در نحوه ساخت برج تقطیر مدنظر قرار می‌گیرند. عمده کار اصلی این تجهیزات تأمین بار حرارتی مورد نیاز برای سیال است. تعیین سطح، طول و سایر پارامترهای طراحی مبدل‌های حرارتی نیز وابسته به پارامترهای طراحی برج تقطیر هستند.
مشکلات رایج در ساخت برج تقطیر
پدیده طغیان
گاها بر اساس ایجاد اشتباه در محاسبات و طراحی‌ها و یا هنگام ساخت برج تقطیر در کارگاه‌ها و کارخانه‌ها، اختلاف فشار بین دو سینی در برج بیش از حد مجاز میشود. با افزایش اختلاف فشار بیش از حد، فاز گاز درون برج از ریزش مایع به سمت پایین جلوگیری کرده و باعث تجمع مایع در سینی بالاتر میشود. با افزایش سطح مایع در روی سینی، انتقال جرم در برج کاهش یافته و باعث کاهش راندمان میشود. تداوم این مشکل گاهی اوقات سبب خروج مایع از بالای برج شده و میتواند خسارات سنگینی به خط تولید وارد نماید.
پدیده ماندگی
در بعضی مواقع، رسیدن سرعت فاز گاز به بیش از حد مجاز، باعث جدا کردن قطرات مایع از سینی زیرین و انتقال آن به سینی بالاتر میشود. این امر باعث اختلاط مایع سینی زیرین و فوقانی میشود. در نظر نگرفتن سرعت مناسب برای فاز بخار در هنگام طراحی و ساخت برج تقطیر، سبب کاهش سطح انتقال جرم شده و برج را از حالت بهینه دور میکند.
پدیده چکه کردن
مشکلات دیگری نیز نظیر پدیده ماندگی، انسداد، مخروطی شدن و… از مواردی است که می‌بایست در طراحی و ساخت برج‌های تقطیر در نظر گرفته شوند. شرکت صنعت آفرین سانیار با تکیه بر دانش منحصربفرد خود و بر پایه طراحی‌های شرکت TOTAL توانسته به بهترین حالت بهینه در طراحی برج تقطیر دست یابد.
ریبویلر و کندانسور در برج تقطیر
پس از اینکه مخلوط خوراک وارد ستون شد، مایع به صورت مخالف در ستون از طریق پکینگ جریان می‌یابد و با جریان بخار در حال افزایش تماس می‌گیرد. مایع پایینی وارد یک بویلر می شود. بویلر یک مبدل حرارتی است که برای تولید بخاری که به سینی پایینی ستون تقطیر می رسد استفاده می شود.سپس یک جریان بخار به ستون باز می گردد و یک جریان به صورت محصول مایع خارج میشود. جریان بخار به سمت بالا جریان می یابد و اجزای فرارتر را جذب میکند. سپس از ستون خارج می شود و وارد کندانسور می شود. پس از مایع شدن بخار، جریان وارد یک درام برگشتی می شود، جایی که به یک جریان محصول و یک جریان برگشتی که به ستون برگردانده می شود، تقسیم می شود. ریبویلر و کندانسور نقش حیاتی در طراحی و ساخت برج تقطیر دارند.
آنالیز حرارتی ریبویلرها
آنالیزهای حرارتی و هیدرولیکی ریبویلرها معمولاً پیچیده تر از مبدل های تک فاز هستند. برخی از عوامل به طور خلاصه عبارتند از:
مایعات به دست آمده از پایین برج تقطیر اغلب مخلوط هایی هستند که محدوده جوش بالایی دارند. از این رو، خواص فیزیکی بخش‌های مایع و بخار میتواند تغییرات زیادی در سرتاسر بویلر داشته باشند. محاسبات ترمودینامیکی زیادی برای تعیین ترکیبات فاز و سایر خصوصیات داخل بویلر مورد نیاز است. جریان دو فازی در قسمت جوش دیگ بخار و در مورد واحدهای ترموسیفون در خط برگشت به ستون تقطیر رخ می دهد.
نحوه ساخت و طراحی برج تقطیر توسط نرم افزارهای شبیه سازی
با استفاده از برنامه‌های شبیه‌سازی (مانند نرم افزار اسپن)، رویه‌های میانبر مبتنی بر عملیات رفلاکس کل اجازه می‌دهد که حداقل نسبت رفلاکس (R/Dmin) و حداقل تعداد مراحل جداسازی ایده‌آل (Nmin) تعیین شود. استفاده از نسبت رفلاکس واقعی ۱.۲ برابر حداقل نسبت رفلاکس باعث می شود تعداد بهینه مراحل و همچنین مرحله ورود خوراک مناسب تخمین زده شود.
نحوه ساخت برج تقطیر در صنعت
در یک برج تقطیر، هنگامی که ترکیب جریان بالا و پایین مشخص شد، نقطه شبنم جریان بالا و نقطه جوش جریان پایین ممکن است در فشارهای مختلف تعیین شود. فشار کاری باید انتخاب شود که اختلاف دمای قابل قبولی را بین دستگاه‌های موجود ایجاد کند، زیرا بخار بالای سر باید مایع شود و مایع پایین دوباره بجوشد.
نحوه ساخت برج تقطیر به فاکتورهای مهمی از غلظت محصول و میزان آن بستگی دارد.مایع برج خنک کننده که برای کندانس استفاده می شود معمولاً در مبنای دمای بدترین حالت دمای تابستان طراحی و تامین می شود. آب شهر، آب رودخانه یا آب سرد ممکن است برای ایجاد دمای خنک کننده کمتر در دسترس باشد. روغن داغ یا هیتر‌های برقی ابزارهای معمولی هستند که برای جوشاندن مجدد استفاده می شوند. از بخار آب جوش نیز برای تامین گرمای مورد نیاز در ریبویلر برج تقطیر استفاده میشود.
چرا سامیار؟
- طراحی برج تقطیر مطابق تکنولوژی روز دنیا
- بهینه سازی برج
- ساخت برج تقطیر بر اساس استانداردهای جهانی
- تحویل کالای با کیفیت
- ضمانت کالا و خدمات بلند مدت
