۱. تقطیر چیست؟
تقطیر یکی از مهم‌ترین و رایج‌ترین روش‌های جداسازی است که بر اساس توزیع اجزای مخلوط بین دو فاز مایع و بخار انجام می‌شود.
تقطیر به دلیل اختلاف نقطه جوش مواد، یکی از متداول‌ترین روش‌ها برای جداسازی آن‌هاست.
به‌طور کلی، برج تقطیر از چهار بخش اصلی تشکیل می‌شود:
۱. برج (Tower)
۲. سیستم ریبویلر (Reboiler)
۳. سیستم کندانسور (Condenser)
۴. تجهیزات جانبی شامل سیستم‌های کنترل، مبدل‌های حرارتی میانی، پمپ‌ها و مخازن جمع‌آوری محصولات.
۲. انواع برج‌های تقطیر
برج‌های تقطیر به‌طور کلی به دو گروه اصلی تقسیم می‌شوند:
الف) برج‌های سینی‌دار — Tray Towers
این برج‌ها دارای سینی هستند.بر اساس نوع سینی، به انواع زیر تقسیم می‌شوند:
۱. Jet Tray Towers — برج‌های سینی جت
۲. Sieve Tray Towers — برج‌های سینی غربالی
۳. Bubble Cap Towers — برج‌های سینی کلاهکی
۴. Valve Tray Towers — برج‌های سینی شیر‌دار
هر یک از این انواع دارای مزایا و معایب مخصوص به خود هستند.
ب) برج‌های پرشده — Packed Towers
در این نوع برج به جای سینی از مواد پرکننده (Packing) استفاده می‌شود.پرکن‌ها می‌توانند:
نامنظم (Random Packing)
منظم (Structured Packing)باشند.
برج‌های پرشده در فرآیندهای جذب و تقطیر مورد استفاده قرار می‌گیرند.
۳. نحوه عملکرد برج سینی‌دار
فرآیند اصلی که درون برج سینی‌دار اتفاق می‌افتد، جداسازی اجزای مخلوط است.ریبویلر حرارت موردنیاز برای انجام فرآیند تقطیر و جداسازی را فراهم می‌کند.بخار از پایین برج به سمت بالا حرکت می‌کند و با مایعی که روی سینی‌ها از بالا به پایین جریان دارد، تماس پیدا می‌کند.این تماس باعث انتقال حرارت و جرم بین فاز بخار و مایع می‌شود.هنگامی که مایع به نقطه حباب (Bubble Point) نزدیک می‌شود، تشکیل بخار آغاز می‌شود.بخار حاصل از اجزای فرارتر غنی‌تر می‌شود؛ یعنی اجزایی که نقطه جوش پایین‌تری دارند و تمایل بیشتری برای ورود به فاز بخار دارند.بنابراین یکی از مهم‌ترین وظایف برج ایجاد تماس مناسب بین بخار و مایع است.
به‌طور کلی:
تماس بیشتر بخار و مایع ← جداسازی مؤثرتر
نحوه جریان مایع روی سینی‌ها نیز عامل مهمی در عملکرد برج است.
۴. برج‌های پرشده
برج‌های پرشده از اجزایی به نام Packing / پرکن تشکیل شده‌اند.به‌طور معمول:
مایع از بالای برج وارد می‌شود.
بخار از پایین برج وارد می‌شود.
دو فاز در سطح پرکن‌ها با یکدیگر تماس پیدا می‌کنند.
این برج‌ها در فرآیندهای جذب و تقطیر استفاده می‌شوند.
پرکن‌ها می‌توانند:
نامنظم
منظم باشند.
برج‌های پرشده می‌توانند بازده بالایی همراه با افت فشار نسبتاً پایین ایجاد کنند.برای یک فرآیند مشخص، ممکن است ارتفاع موردنیاز آن‌ها نسبت به برج‌های سینی‌دار کمتر باشد.
۵. ریبویلر — Reboiler
ریبویلر معمولاً در پایین برج یا در کنار قسمت پایینی برج نصب می‌شود.وظیفه اصلی آن تأمین حرارت یا انرژی موردنیاز برای تقطیر است.ریبویلر را می‌توان به‌عنوان یک مرحله تعادل (Equilibrium Stage) در فرآیند تقطیر در نظر گرفت؛ مشابه نقشی که یک سینی در برج سینی‌دار دارد.مایع موجود در پایین ستون تقطیر در ریبویلر گرم شده و به شکل بخار دوباره وارد برج می‌شود.ریبویلرها اغلب از نوع مبدل حرارتی پوسته و لوله (Shell-and-Tube) هستند.
*سیالات گرم‌کننده می‌توانند شامل موارد زیر باشند:
بخار
گاز
سایر سیالات گرم‌کننده
۶. کندانسور — Condenser
وظیفه کندانسور تبدیل بخاری است که در اثر گرم‌کردن مخلوط ایجاد شده، به مایع است.دو نوع اصلی کندانسور عبارت‌اند از:
۱. کندانسور کامل — Total Condenser
۲. کندانسور جزئی — Partial Condenser
*کندانسور کامل:
تمام بخاری که از بالای برج خارج می‌شود به مایع تبدیل می‌شود.بخشی از این مایع به‌عنوان رفلاکس (Reflux) دوباره به برج بازگردانده می‌شود و بخش باقی‌مانده به‌عنوان محصول بالاسری جمع‌آوری می‌شود.
*کندانسور جزئی:
تنها بخشی از بخار مایع می‌شود.قسمت باقی‌مانده به صورت بخار از کندانسور خارج می‌شود.
۷. خوراک — Feed
مخلوطی که وارد برج تقطیر می‌شود خوراک (Feed) نام دارد.خوراک می‌تواند به صورت مایع، بخار و مخلوط مایع و بخار وارد برج شود.
خوراک معمولاً از یک محل مشخص و از پیش تعیین‌شده وارد برج می‌شود.در برج سینی‌دار، این محل سینی خوراک (Feed Tray) نام دارد.محل سینی خوراک اهمیت زیادی دارد، زیرا باید با دما و ترکیب خوراک نسبت به شرایط داخل برج تناسب داشته باشد.
خوراک مایع:
خوراک مایع معمولاً وارد سینی خوراک شده و با مایعی که از سینی بالایی پایین می‌آید، ترکیب می‌شود.
خوراک بخار:
خوراک بخار معمولاً از زیر سینی خوراک وارد برج می‌شود.
خوراک دوفازی:
اگر خوراک شامل مایع و بخار باشد، از نظر تئوری می‌توان ابتدا این دو فاز را از یکدیگر جدا کرد و سپس وارد برج کرد.
اما در عمل، این دو فاز همیشه جدا نمی‌شوند، زیرا جداسازی اولیه نیازمند تجهیزات اضافی و هزینه بیشتر است.
۸. اجزای اصلی برج تقطیر
۸.۱ نازل — Nozzle
نقطه‌ای که خطوط لوله ورودی و خروجی به برج تقطیر متصل می‌شوند، نازل (Nozzle) نام دارد.
۸.۲ درام رفلاکس — Reflux Drum
درام رفلاکس برای جمع‌آوری محصول سردشده قسمت بالایی برج تقطیر استفاده می‌شود.
*بسته به نوع کندانسور، ماده‌ای که وارد درام رفلاکس می‌شود می‌تواند مایع، مخلوط مایع و بخار باشد.
بخشی از مایع جمع‌شده دوباره به برج بازگردانده می‌شود که به آن رفلاکس (Reflux) گفته می‌شود.
اگر تمام مایع دوباره به برج بازگردانده شود و هیچ محصولی از بالای برج برداشت نشود، این شرایط رفلاکس کامل (Total Reflux) نام دارد.
۸.۳ جداکننده‌ها — Separators
جداکننده‌ها برای جداسازی فازهای مختلفی که با یکدیگر مخلوط شده‌اند استفاده می‌شوند.در جداسازی مایع–مایع، یکی از عوامل مهم معمولاً اختلاف چگالی مواد است.
۸.۴ پمپ‌ها — Pumps
پمپ‌ها برای موارد زیر استفاده می‌شوند:
انتقال مایعات به ارتفاعات بالاتر
انتقال مایعات با ویسکوزیته بالا
انتقال مایعات بین بخش‌های مختلف فرآیند
بنابراین پمپ‌ها می‌توانند در نقاط مختلف واحد نصب شوند.
۹. محصولات برج تقطیر
محصولات پالایشگاهی را می‌توان به‌صورت کلی از سبک‌تر به سنگین‌تر به شکل زیر مرتب کرد:
۱. LPG — گاز مایع
۲. Gasoline — بنزین
۳. Naphtha — نفتا
۴. Kerosene — نفت سفید
۵. Jet Fuel — سوخت جت
۶. Diesel — دیزل
۷. Gas Oil — گاز اویل / گازوئیل
۸. Fuel Oil — نفت کوره / مازوت
۹. Petroleum Oils — روغن‌های نفتی
۱۰. Paraffin Wax — موم پارافین
۱۱. Asphalt / Bitumen — آسفالت / قیر
۱۲. Petroleum Coke — کک نفتی
۱۳. Sulfur — گوگرد
نفتا — Naphtha
نفتا یک برش نفتی بین بنزین و نفت سفید است و دارای ویژگی‌هایی مرتبط با هر دو گروه است.
۱0. مفهوم اصلی عملکرد برج
ساده‌ترین مدل ذهنی برای فهم برج تقطیر:
خوراک ← برج ← تماس بخار و مایع ← جداسازی در پایین برج:
Reboiler ← حرارت ← تولید بخار ← حرکت بخار به سمت بالا
در بالای برج:
Condenser ← خنک‌کاری ← تشکیل مایع
سپس:
Condenser → Reflux Drum → Reflux + Overhead Product
به‌طور کلی:
اجزای فرارتر / دارای نقطه جوش پایین‌تر ← تمایل به حرکت به سمت بالای برج دارند.
اجزای کم‌فرارتر / دارای نقطه جوش بالاتر ← تمایل به حرکت به سمت پایین برج دارند.
کل فرآیند به‌شدت به تماس مکرر بخار و مایع، انتقال حرارت و انتقال جرم وابسته است.