برج ها (Towers)
یکی از مهمترین فرایندهایی که در صنایع مربوط به نفت انجام میشود، جداسازي‌هاي اجزاي موجود در یک ترکیب است که هر کدام از این اجزاء میتوانند ارزش بسیار بالایی در مقایسه با ترکیب اولیه داشته باشند. اگر مخلوطی که جداسازي میشود همگن باشد جداسازي میتواند تنها با افزودن و یا ایجاد فاز دیگري در سیستم انجام شود. به عنوان مثال در جداسازي یک مخلوط گازي، فاز دیگر میتواند 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 جاي تولید یک فاز اضافی میتوان به مخلوط گازي فاز جدیدي 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 جداسازي دیگري خواهیم داشت تا حلال را از سیال حل شده در آن جدا کرده و براي استفاده مجـدد به دستگاه جداساز برگردانیم. در صورتیکه یک مخلوط ناهمگن داشته باشیم، جداسازي میتواند به طور فیزیکی و با استفاده از تفاوت دانسیته بین فازها انجام گیرد. جداسازي براي مخلوط‌هاي زیر صورت میگیرد:
۱.جداسازي مخلوط‌هاي ناهمگن
۲.جداسازي مخلوط‌هاي همگن
جداسازي فازهاي مختلف یک مخلوط ناهمگن باید قبل از جداسازي مخلوط‌هاي همگن انجام گیرد زیرا این جداسازي هم ساده بوده و هم باعث تسهیل در جداسازي همگن خواهد شد. روشهاي جداسازي ممکن است به صورت پیوسته، نیمه‌پیوسته و غیرپیوسته صورت گیرد.
جداسازي فازي که احتمالاً باید انجام گیرد عبارتند از:
– بخار/ مایع، مایع/ مایع، جامد/ مایع، جامد/گاز و جامد/ جامد. که از حالات بالا بخار/ مایع، مایع/ مایع، که بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند، مورد بررسی قرار میگیرند.
دستگاه‌هاي بکار رفته در عملیات گاز/مایع به دو دسته تقسیم میشوند:
– دستگاه‌هایی که در آنها گاز پراکنده میشود: در این گروه مخازنی که در آنها حباب گاز ایجاد میشود و یا مخزن مجهز به همزن و انواع برج هاي سینی‌دار را میتوان نام برد. در این دستگاه‌ها فاز گاز به صورت حباب یا کف در فاز مایع پراکنده میشوند.
– دستگاه‌هایی که در آنها فاز مایع پراکنده میشود: این گروه شامل دستگاه‌هایی میشود که در آنها مایع به صورت یک فیلم نازك و یا بـه صورت قطرهاي درآمده و در فاز گاز پراکنده میشود. در این میان برج هاي دیواره مرطوب، برج هاي پاششی و پاشنده‌ها و نیز ستون‌هاي پر شده را میتوان نام برد. ستون‌هاي پر شده مهمترین نوع دستگاه‌هاي این گروه به حساب می‌آیند.
معمولاً برج هاي جداسازي، بر اساس عملیات انتقال جرمی که بین فازها انجام میشود و بیشتر در صنعت مورد استفاده قرار میگیرند به صورت زیر تقسیم‌بندي میشوند.
الف – برج هاي تقطیر
ب – برج هاي استخراج
ج – برج هاي جذب و دفع
ابتدا هریک از فرایندهاي تقطیر، استخراج و جذب و دفع معرفی و سپس در مـورد برج ها و دستگاه‌هاي بکار برده شده در آنها توضیحاتی داده شود.
تقطیر
متداول‌ترین روش، تبخیر و چگاش مکرر یا عمل تقطیر Distillation میباشد.
مزیت‌هاي عمده تقطیر عبارتند از :
– توانایی عملکرد در دامنۀ وسیعی از حجم خـوراك ورودي (بسیاري از روشهاي تقطیر، تنها در مقادیر کم خوراك ورودي بکار میروند).
ـ توانایی عملکرد در دامنۀ وسیعی از غلظت‌هاي خوراك (بعضی از روشهاي تقطیر مـیتوانند حتی با خوراك نسبتاً خالص عمل کنند).
– توانایی تولید محصول با خلوص بالا ( البته بسیاري از روشهاي تقطیر فقط یک جداسازي نـسبی را انجام میدهند و نمیتوان محصول %۱۰۰خالص تولید کنند).
عمده حالاتی که مناسب نیست از عمل تقطیر در آنها استفاده شوند عبارتند از:
– جداسازي مواد با وزن مولکولی کم: مواد با وزن مولکولي کم در فشار بالا تقطیر میشوند تا دماي چگالش آنها افزایش یافته ، چنانچه ممکـن شـود از آب خنـک (Cooling Water) و یا هـواي خنک در کندانسور (Condenser) برج استفاده شود. مواد با وزن مولکولی کم نیاز به یک مبرد در کندانسور دارند. این عمل افزایش قابل ملاحظه‌اي در هزینه عملیاتی دارد چراکه مبرد بسیار گران است. جذب (Absorption) و جذب سطحی (Adsorption) و جداکننده‌هاي غشاي گاز، روشهاي معمـولی براي جداسازي مواد با وزن مولکولی کم هستند.
– جداسازي مواد با وزن مولکولی بالا و حساس بـه حرارت: مـواد با وزن مولکولی بالا اغلب نسبت به حرارت حساس هستند و از این رو معمولاً تحت خلا تقطیر میشوند تا نقطه جوششان کاهش یابد.
– جداسازي ترکیبات با غلظت بسیار کم: تقطیر براي این منظور روش مناسبی نیـست. جـذب سطحی و جذب دو روش موثر در این حالت هستند.
– جداسازي دسته‌اي از ترکیبات: اگر قرار باشد دسته‌اي از ترکیبات جدا شوند (به طور مثال یک مخلوط ترکیبات حلقوي Aromatics از مخلوط زنحیـره‌اي Aliphatic) تقطیـر تنها مـیتواند بر اساس اختلاف نقاط جوش و بدون توجه به نوع ترکیبات عمل جداسازي را انجام دهد. استخراج مایع-مایع میتواند براي جداسازي دسته‌اي از ترکیبات بکار رود.
– مخلوط با فراریت نسبی کم یا آنها که رفتار همجوش یـا آزوتـروپ (Azeotropic) از خود نشان میدهند. در این حالت از تقطیر استخراجی یا تقطیر آزوتروپیک، تشکیل بلور (Crystallization) و استخراج مایع-مایع می توان استفاده کرد.
– جداسازي مایع فرار از یک ترکیب غیر فرار: این فرایند به طور معمول توسط تبخیر و خشک کردن انجام میگیرد.
عوامل موثر بر تقطیر
مهمترین عوامل عبارتند از :
۱)فشار عملیاتی ۲)میزان مایع برگشتی ۳)حالت خوراك ورودي
فشار عملیاتی
وقتی فشار بالا میرود:
– جداسازي بسیار مشکل میشود (فراریت نسبی کاهش مییابد)؛ یعنی به سـینی‌ها و یا جریان برگشتی بیشتري نیاز است.
– گرماي نهان تبخیر کاهش مییابد. یعنی بار حرارتی جوش‌آورها و کندانسورها کمتر میشود.
– دانسیته بخار افزایش مییابد و لذا قطر ستون تقطیر کمتر خواهد شد.
– دماي جوش‌آور افزایش مییابد. این افزایش بـه کمک تجزیه حرارتـی مواد تبخیـر شده و افزایش رسوب در لوله‌ها تعیین میشود.
– دماي کندانسور افزایش مییابد.
بدیهی است وقتی فشار کاهش مییابد این اثرات برعکس خواهد شد. اغلب حد پایین فـشار براي اجتناب از موارد زیر تعیین میگردند:
– عملیات تحت خلا
– عملیات کندانسور در زیر دماي محیط
هر دو عملیات تحت خلا و استفاده از سیستم برودت‌ساز باعث افزایش هزینه میشود. بـراي اجتناب از این حالت، چنانچه محدودیت‌هاي فرایند اجازه دهند، باید:
– فشار به گونه‌اي تنظیم شود تـا نقطـه جوش محصول بـالاي برج ۱۰oC بیشتر از دماي آب خنک‌کن در تابستان باشد تا از عملکرد کندانسور در زیر دماي محیط پرهیز شود.
– فشار در حد اتمسفر تنظیم شود تا از تقطیر در خلا جلوگیري شود.
میزان مایع برگشتی (Reflux Ratio)
هرچقدر میزان مایع برگشتی بیشتر شود طول ستون کوتاهتر و تعداد سینی‌ها کمتر خواهد شد ولی بار حرارتی کندانسور و جوش‌آور افزایش مییابد.
شرایط خوراک ورودی
این متغیر از اهمیت کمتري برخوردار میباشد. اگر خوراك زیر نقطه جوش باشد تعداد سینی‌هاي بالاي سینی خوراك را کاهش میدهد اما سینی‌ها بخش پایینی سینی خوراك را افزایش میدهد و نیاز بیـشتري به حرارت در جوش‌آور را دارد اما در کندانسور به سرمایش کمتري نیاز میباشد. خوراکی که به صورت تبخیر شده باشد عکس این ویژگی‌ها را دارد.
جذب و دفع
جذب گاز فرایندي است که در آن یک مخلوط گازي در تماس با یک حلال مایع قرار میگیرد تا به طور انتخابی یک یا چند جزء مورد نظر از مخلوط گازي را در خود حل کند. اغلب فرایندهاي جذب به یک ماده خارجی نیاز دارند که به فرایند وارد شده و به عنوان حلال مایع عمل مینماید. نظر به اینکه اصول فرایندهاي جذب و دفع یکسان است هردو فرایند به طور همزمان بررسی میشود.
دبی مایع و گاز، درجه حرارت و فشار متغیرهاي مهمی هستند که باید تعیین شوند. هرچقدر ضریب جذب بزرگتر باشد به عنوان مثال با افزایش مقدار مایع ، طول ستون جذب یا تعداد سینی‌هاي مورد نظر براي جذب کاهش مییابد.
درجه حرارت: در جذب کاهش دما حلالیت جزء مـورد نظـر (گاز) را در مایع افزایش میدهد. 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 میشود. یعنی در جذب افزایش فـشار و در دفع کاهش فشار مطلوب خواهد بود (عکس دما).
یکی از مهمترین مباحث مربوط به برج هاي جذب انتخاب حلال میباشد که بر اساس معیارهاي زیر صـورت می گیرد:
۱)حلالیت گاز: حلالیت گاز در حلال مایع باید بالا باشد تا شدت جذب گاز زیاد و مقدار مـصرفی حلال مورد نیاز کم شود. معمولاً حلالی که از نظر طبیعت شیمیایی مشابه ماده حل شـونده باشد، امکانات زیادي را جهت انحلال حل شونده فراهم میسازذ.
۲)فراریت: فشار بخار باید کم باشد، زیرا گاز خروجی از یک فرایند جذب معمـولاً از بخار حلال اشباع است و لذا اتلاف حلال در صورت بالا بودن فشار بخار آن زیاد خواهد بود.
۳)قیمت: حلال نباید گرانبها باشد تا اتلاف آن هزینه زیادي را ایجاب نکند و به علاوه به آسانی تهیه شود.
۴)ویسکوزیته: کم بودن ویسکوزیته به دلایل تسریع به سرعت جذب، افت فـشار کـم در تلمبه کردن و خواص مفید در انتقال حرارت، ترجیح داده میشود.
۵)خواص متفرقه: حلال در صورت امکان نباید سمی و آتشگیر باشد. باید از نظر شـیمیایی پایدار بـوده و نقطه انجماد آن نیز پایین باشد. همچنین خاصیت خورندگی بالایی نداشته باشد.
استخراج
در استخراج مایع-مایع مانند تقطیر، دو فاز را باید در تماس با یکدیگر قرار داد تا عمل انتقال جزء مورد نظر انجام شده و سپس جداسازي صورت میگیرد. در تقطیر عمل اختلاط و جداسازي آسان و سریع است. اما در استخراج، چون چگالی دو فاز نزدیک به یکدیگر میباشد براي اخـتلاط و جداسازي نیروي محرکه کمی در دسترس است. در این حالت عمل مخلوط کردن دو فاز مشکل و جداسازي آنها مشکلتر است. ویسکوزیته هر دو فاز نسبتاً بالا و سرعت حرکت مواد در بیشتر قسمت‌هاي دستگاه‌هاي استخراج پایین است. در نتیجـه در بـسیاري از دستگاه‌هاي استخراج، نیروي محرکه لازم براي اختلاط و جداسازي با روشهاي مکانیکی تامین میشود.
محصول استخراج ممکن است سبکتر یا سنگینتر از محصول پسماند باشد در نتیجه محصول استخراج در بعضی از دستگاه‌ها از قسمت فوقانی و در بعضی دیگر از قسمت تحتانی دستگاه خارج میشود. اگر به بـیش از یکبار تماس بین مایعات نیاز باشد، عملیات تکرار میشود. اما وقتی تعداد کمیت‌ها زیاد و نیاز به چند بار تماس باشد، از جریان پیوسته استفاده میشود.
تهیه کننده : محمد بهزادی
