تقطیر و برج های تقطیر

اولین و مهمترین عملی که بر روی نفت خام صورت می گیرد فرآیند تقطیر میباشد. تقطیر فرآیندی است که بر اساس فاصله نقطه جوش مواد انجام می شود.
نفتخام پس از آنکه از مخازن نفت استخراج شد به دلیل داشتن مواد زائد ابتدا باید تمیزشود که به آن شیرین سازی گویند. نفت به دلیل داشتن نمک های معدنی مانند:
سیلیس
سولفات ها
اکسید آهن
اینمواد در نفت به فرم محلول می باشند ولی باید میزانی داشته باشد. زیرا اگر از حدمعینی بیشتر شوند بهره برداری از آن ها کار بسیار دشواری می باشد. اگر از 4کیلوگرم در هر 1000 بشکه بیشتر شود دیگر نمی توان از آن نفت استفاده کرد. چرا بایدرسوبات نفت گرفته شوند؟ زیرا این رسوبات در هنگام عبور از لوله ها و تاسیسات باعثخوردگی آن ها می شوند و باید نمک آن ها را جدا کرد که به این فرآیند نمک زداییگویند

اولین و مهمترین عملی که بر روی نفت خام صورت می گیرد فرآیند تقطیر میباشد. تقطیر فرآیندی است که بر اساس فاصله نقطه جوش مواد انجام می شود.
نفتخام پس از آنکه از مخازن نفت استخراج شد به دلیل داشتن مواد زائد ابتدا باید تمیزشود که به آن شیرین سازی گویند. نفت به دلیل داشتن نمک های معدنی مانند:
سیلیس
سولفات ها
اکسید آهن
اینمواد در نفت به فرم محلول می باشند ولی باید میزانی داشته باشد. زیرا اگر از حدمعینی بیشتر شوند بهره برداری از آن ها کار بسیار دشواری می باشد. اگر از 4کیلوگرم در هر 1000 بشکه بیشتر شود دیگر نمی توان از آن نفت استفاده کرد. چرا بایدرسوبات نفت گرفته شوند؟ زیرا این رسوبات در هنگام عبور از لوله ها و تاسیسات باعثخوردگی آن ها می شوند و باید نمک آن ها را جدا کرد که به این فرآیند نمک زداییگویند.

نمک زدایی:
ابتدا آب را با نفت مخلوط کرده و آن موقعه آب بانمک های موجود در نفت حل می شوند و این نمک ها در آب حل شده . حال نفت را در یکمخزن قرار داده که به دو صورت عمل می کند:
یکی اینکه با استفاده از جدا کردن نفت از آب می تواننمک های موجود در نفت را از آن گرفت.
دیگر اینکه با استفاده از جریان برق که یک میدانبا پتانسیل الکتریکی ایجاد می شود را درست کرده و یک خاصیت شکنندگی در آن به وجودمی آورد.

تقطیر

بعد از جدا کردن رسوبات از نفت حالا نوبت فرآیندتقطیر می باشد. ولی برای تقطیر نفت خام دو نوع تقطیر وجود دارد یکی تقطیر اتمسفریو دیگری تقطیر خلاء می باشد.

برج تقطير

بطور کلی برجتقطیر شامل 4 قسمت اصلی می باشد:
1. برج (Tower)
2. سیستم جوشاننده(Reboiler)
3. سیستم چگالنده(Condensor)
4. تجهیزات جانبیشامل: انواع سیستمهای کنترل کننده، مبدلهای حرارتی میانی، پمپها و مخازن جمع آوریمحصول.

• برج(Tower)
بطور کلی برجهایی که در صنعت جهت انجام عمل تقطیرمورد استفاده قرار می گیرند، به دو دسته اساسی تقسیم می شوند:
1. برجهای سینی دار(tray Towers)
2. برجهای پرشده(Packed Towers)

برجهای سینی داربر اساس نوع سینی های به کاررفته در آن به 4 دسته تقسیم می شوند:
1. برجهای سینی داراز نوع کلاهکی (فنجانی) (Bubble Cap Towers)
2. برجهای سینی داراز نوع غربالی(Sieve Tray Towers)
3. برجهای سینی داراز نوع دریچه ای(Valve Tray Towers)
4. برجهای سینی داراز نوع فورانی(Jet Tray Towers)
هر کدام از انواعبرجهای مذکور دارای مزایا و معایبی هستند که در بخشهای بعدی مورد بحث قرار خواهند گرفت.

طرز کار یک برج سینی دار
بطور کلی فرآیندی که در یک برج سینی دار اتفاق میافتد، عمل جداسازی مواد است. همانطور که ذکر شد فرآیند مذکور به طور مستقیم یاعیرمستقیم انجام می پذیرد.
در فرآیند تقطیر منبع حرارتی (Reboiler)،حرارت لازم را جهت انجام عمل تقطیر و تفکیک مواد سازنده یک محلول تأمین میکند.بخار بالارونده از برج با مایعی که از بالای برج به سمت پایین حرکت می کند، بر رویسینی ها تماس مستقیم پیدا می کنند. این تماس باعث ازدیاد دمای مایع روی سینی شده ونهایتا باعث نزدیک شدن دمای مایع به دمای حباب می گردد. با رسیدن مایع به دمایحباب به تدریج اولین ذرات بخار حاصل می شود که این بخارات غنی از ماده فرار (ماده ای که از نقطه جوش کمتری و یا فشار بالاتریبرخوردار است) می باشد.از طرفی دیگر در فاز بخار موادی که از نقطه جوش کمتریبرخوردار هستند، تحت عمل میعان قرار گرفته و بصورت فاز مایع به سمت پایین برج حرکتمی کند. مهمترین عملکرد یک برج ایجاد سطح تماس مناسب بین فازهای بخار و مایع است.هر چه سطح تماس افزایش یابد عمل تفکیک با راندمان بالاتری صورت میگیرد. البته رژیمجریان مایع بر روی سینی نیز از جمله عوامل مهم بر عملکرد یک برج تفکیک می باشد.

اینک به بیان عبارات و اصطلاحاتی که در این ارتباط(فرآیند تقطیر) کاربرد زیادی دارد پرداخته می شود.

خوراک (Feed)
مخلوط ورودی به داخل برج که ممکن است مایع، گاز ویا مخلوطی از مایع و گاز باشد، خوراک (Feed) نام دارد. معمولا محل خوراک در نقطه مشخصی از برجاست که از قبل تعیین می شود. در برجهای سینی دار محل ورودی خوراک را سینی خوراک یا(Feed Tray) می نامند. ازجمله مشخصات مهم سینی خوراک این است که از نقطه نظر درجه حرارت و ترکیب نسبی (کسرمولی) ، جزء مورد نظر با خوراک ورودی مطابقت داشته باشد. البته محل خوراک ورودی بهحالت فیزیکی خوراک نیز بستگی دارد. معمولا اگر خوراک بصورت مایع باشد، همراه با مایعیکه از سینی بالایی سرازیر می شود به درون سینی خوراک وارد می گردد. اگر خوراکبصورت بخار باشد معمولا آن را از زیر سینی خوراک وارد می کنند و اگر خوراک بصورتمخلوطی از مایع و بخار باشد، بهتر است که ابتدا فاز مایع و بخار را از هم جدانموده و سپس به طریقی که گفته شد خوراک را وارد برج نمایند. ولی عملا به منظورصرفه جویی از هزینه های مربوط به تفکیک دو فاز بخار و مایع، عمل جداسازی به ندرتصورت می گیرد.

محصول بالاسری (Overhead Product)
آنچه از بالی برج به عنوان خروجی از آن دریافت میشود محصول بالاسری نامیده می شود که معمولا غنی از جزئی که از نقطه جوش کمتریبرخوردار است می باشد.

محصول ته مانده (Bottom Product)
ماده ای که از پایین برج خارج می شود ته مانده یامحصول انتهایی (Bottom) نام دارد ومعمولا غنی از جزء یا اجزائ سنگین تر (که از نقطه جوش بالاتری برخوردار می باشند)خواهد بود.

نسبت برگشت (پس ریز) (Reflux Ratio)
نسبت مقدار مایع برگشتی به برج بر حسب مول یا وزنبه مایع یا بخاری که به عنوان محصول از سیستم خارج می شود را نسبت برگشتی می گویندو آن را با حرف R نشان می دهند.

نسبت برگشتی و اثرات آن بر شرایط کارکرد برج
با افزایش نسبت مایع برگشتی تعداد سینی های موردنیاز جهت تفکیک (طول برج) کاهش می یابد، اما در مقابل آن بار حرارتی کندانسور وجوش آور و مقادیر بخار و مایع در طول برج افزایش می یابد. در این صورت نه تنها لازم است سطوح گرمایی موردنیاز به آنها اضافه شود، بلکه به دلیل افزایش میزلن جریان مایع و بخار سطح مقطعبرج نیز افزایش می یابد.
هنگامی که مقدار R زیاد باشد تعداد مراحل و طول برج به کمترین مقدارخود می رسد و تمام محصول بالاسری به عنوان مایع برگشتی وارد برج می شود و این حالترا برگشت کامل یا (Total Reflux) می نامند.
در شرایطی که R در کمترین مقدار خود باشد طول برج و تعداد مراحلدر بیشترین مقدار خود خواهد بود و عمل تفکیک به شکل کاملی انجام نخواهد شد. مقدارعملیR معمولا بین حالت برگشت کامل و حداقل میزانR است. در بیشتر موارد مقدار مایع برگشتی بر رویدرجه حرارت برج نیز تأثیر می گذارد. معمولا در یک برج تقطیر دمای انتهای آن بهمراتب بیشتر از دمای پایین آن است و این اختلاف دما در طول برج وجود خواهد داشت.میزان جریان برگشتی به عنوان یک عامل کنترلی بر روی درجه حرارت سیستم خواهد بود.

• جوش آور(Reboiler)
جوش آورها که معمولا در قسمت های انتهای برج وکنارآن قرار داده می شود، وظیفه تأمین حرارت یا انرژی لازم را برای انجام عملتقطیر به عهده دارند.
معمولا جوش آورها به عنوان یک مرحله تعادلی درعمل تقطیر و به عنوان یک سینی در برجهای سینی دار در نظر گرفته می شوند.

انواع جوش آورها
مهمترین انواع جوش آورها که در صنایع شیمیایی کاربردزیادی دارند، عبارتند از:

1. دیگهای پوشش(Jacketted Kettle)
2. جوش آورهایداخلی(Inteal Reboiler)
3. جوش آور نوعKettle
4. جوش آور ترموسیفونیعمودی(Vertical Termosiphon Reboiler)
5. جوش آورترموسیفونی افقی (Horizontal Thermosiphon Reboiler)
6. جوش آور از نوعسیرکولاسیون اجباری (Forced Circulation Reboiler)

در جوش آورهای ترموسیفونی یا جوش آورهای با گردشطبیعی، حرکت سیال بر اساس اختلاف دانسیته نقاط گرم و سرد صورت می پذیرد. این پدیدهمی تواند به دو صورت انجام پذیرد که عبارتند از :
1. جوش آوری بایکبار ورود سیال (Once – Thorugh Reboiler)
2. جوش آور با چرخشسیال(Recirculating Reboiler)

معیارهای موجود برای انتخاب جوش آور مناسب
بطور کلی نکاتی که در انتخاب یک جوش آور باید مدنظر قرار گیرد عبارتند از :
1. سرعت انتقال(حداقل سطح)
2. فضا و خطوط لولهلازم
3. سهولت نگهداری
4. تمایل به رسوب وجرم گذاری سیال
5. زمان اقامت سیالدر فرآیند
6. پیداری عملیاتی
7. هزینه عملیاتی
8. افزایش میزانبخار تولیدی
هر کدام از جوش آورها مزایا و معایبی دارد که درکتب مرجع جمع آوری شده است. از این داده ها می توان برای طراحی اولیه کمک گرفت.ولی بطور کلی متداولترین و اقتصادی ترین
جوش آوری که در صنایع شیمیایی و پتروشیمی مورداستفاده قرار می گیرد نوع ترموسیفونی می باشد، خصوصا نوع افقی آن که در سیستمهایتقطیر کاربرد زیادی دارد.

انتخاب نوع Reboiler
انتخاب نوع Reboiler یا جوش آور به عوامل زیر بستگی دارد:
1. خواص فیزیکیسیال بویژه ویسکوزیته و تمایل به رسوبدهی سیال
2. فشار عملیات(خلأ یا تحت فشار)
3. روش قرار گرفتنتجهیزات و فضای قابل استفاده

مزایای جوش آورهای ترموسیفونی افقی
1. ابعاد واحدهایافقی از نقطه نظر طول لوله ها و وزن محدودیتی نداشته و بنابراین برای سطوح حرارتیبزرگ، نصب واحدهای افقی مطلوبتر و آسانتر می باشد.
2. از آنجائیکه درجوش آورهای ترموسیفونی افقی، سیال در داخل پوسته حرکت می نماید، از نظرعدم رسوب وجرم گذاری و سهولت در نگهداری و استفاده از آنها ترجیح دارد.
3. این جوش آورهااز نظر طراحی هیدرولیکی سطوح مایع مجاز در سیستم، منعطف تر می باشند و جریان هایبا گرد بالایی را می توان بدون هیچ مشکلی در آن ایجاد نمود.
4. جوش آورهایترموسیفونی افقی نسبت به نوع عمودی، افزایش نقطه جوش کمتری دارند و این مسئله درموارد خاصی کخ سیال نسبت به دما حساس بوده و یا سیستم در حالت خلأ عمل می نمایدمزیتی مهم محسوب می گردد.

• چگالنده (Condenser)
نقش چگالنده در واقع تبدیل بخارات حاصل از عملحرارت دهی به مخلوط، به مایع می باشد. این امر در اصطلاح میعان یا چگالش نامیده میشود و دستگاهی که در آن عمل مذکور انجام می شود چگالنده نام دارد. به طور کلیچگالنده ها به دو دسته اساسی تقسیم می شوند:
1. چگالنده هایکامل(Total Condenser)
2. چگالنده هایجزئی(Partial Condenser)
در صورتیکه تمام بخار بالای برج به مایع تبدیلشود و بخشی ازآن وارد برج شده و بخش دیگر وارد مخزن جمع آوری محصول گردد عمل میعانکامل (TotalCondensation) انجام شده است.اما اگر بخشی از بخارات حاصل مایع شده و بخش دیگر به صورت بخار از کندانسور خارجشود به آن یک کندانسور جزئی گفته می شود. در کتب مرجع راهنمای انتخاب نوع کندانسورهمراه با ضرایب انتقال حرارت کندانسور تهیه شده است.

برج های تقطیربا سینی کلاهکدار
در برج هایتقطیر با سینی کلاهکدار ، تعداد سینیها در مسیر برج به نوع انتقال ماده و شدتتفکیک بستگی دارد. قطر برج و فاصله میان سینی‌ها به مقدار مایع و گاز که در واحدزمان از یک سینی می‌گذرد، وابسته است. هر یک از سینی‌های برج ، یک مرحله تفکیکاست. زیرا روی این سینی ها ، فاز گاز و مایع در کنار هم قرار می‌گیرند و کارانتقال ماده از فازگازی به فاز مایع یا برعکس در هر یک از سینی‌ها انجام می‌شود.برای اینکه بازدهیانتقال ماده در هر سینی به بیشترین حد برسد، باید زمان تماس میاندو فاز و سطحمشترک آنها به بیشترین حد ممکن برسد.
بخشهای مختلفبرج تقطیر با سینی کلاهکدار
· بدنه و سینیها:جنس بدنه معمولا ازفولادریخته است.جنس سینی‌ها معمولا ازچدناست. فاصله سینی‌ها رامعمولابا توجه به شرایط طراحی ، درجه خلوص و بازدهی کار جداسازی بر می‌گزینند. دربیشترپالایشگاههای نفت ، برای برجهای تقطیر به قطر4ftفاصله میان50 - 18 سانتیمترقرار می‌دهند. با بیشتر شدن قطر برج ، فاصله بیشتری نیز برایسینی‌ها در نظر گرفته می‌شود.
· سرپوشها یاکلاهکها:جنس کلاهکها ازچدن می‌باشد. نوع کلاهکها با توجهبه نوع تقطیر انتخاب می‌شود و تعدادشان در هرسینی به بیشترین حد سرعت مجاز عبورگاز از سینی بستگی دارد.
· موانع یا سدها:برای کنترل بلندی سطح مایع روی سینی ، به هر سینیسدی بنام "وییر" (Wier) قرار می‌دهند تا از پایین رفتن سطح مایع از حد معنیجلوگیری کند. بلندی سطح مایع در روی سینی باید چنان باشد که گازهای بیرون آمده ازشکافهای سرپوشها بتوانند از درون آن گذشته و زمان گذشتن هر حباب به بیشترین حد ممکنبرسد. بر اثر افزایش زمان گذشتن حباب از مایع ، زمان تماس گاز و مایع زیاد شده ،بازدهی سینی‌ها بالا می‌رود .
برج های تقطیربا سینی‌های مشبک
در برج های با سینی مشبک ، اندازه مجراها یاشبکه‌هاباید چنان برگزیده شوند که فشار گاز بتواند گاز را از فاز مایع با سرعتی مناسبعبور دهد. عامل مهمی که در بازدهی این سینیها موثر است، شیوه کارگذاری آنها در برجاست. اگر این سینی ها کاملا افقی قرار نداشته باشند، بلندی مایع در سطح سینی یکنواختنبوده و گذر گاز از همه مجراها یکسان نخواهد بود.

خورندگی فلز سینی ها هم در این نوع سینی ها اهمیتبسیار دارد. زیرا بر اثر خورندگی، قطر سوراخ ها زیاد می‌شود که در نتیجه مقدارزیادی بخار با سرعت کم از درون آن مجاری خورده شده گذر خواهد کرد. و می‌دانیم کهاگر سرعت گذشتن گاز از حد معینی کمتر گردد، مایع از مجرا به سوی پایین حرکت کرده بازدهیکار تفکیک کاهش خواهد یافت .
برج های تقطیربا سینی‌های دریچه‌ای
این نوع سینی ها مانند سینیهای مشبک هستند.با این اختلاف که دریچه‌ای متحرک روی هر مجراقرار گرفته است. در صنعت نفت ، دو نوع از این سینی ها بکار می‌روند :


1. انعطاف پذیر :همانطور که از نام آن برمی‌آید، دریچه‌ها می‌توانندبین دو حالت خیلی باز یا خیلی بسته حرکت کنند .
2. صفحات اضافی:در این نوع سینی ها ، دو دریچه یکی سبک که در کفسینی قرار می‌گیرد و دیگری سنگین که بر روی سه پایه‌ای قرار گرفته ، تعبیه شدهاست. هنگامی کهبخار کم باشد، تنها سرپوش سبک به حرکت در می‌آید. اگر مقدار بخار ازحد معینی بیشتر باشد، هر دو دریچه حرکت می‌کنند .
مقایسه انواع گوناگونسینی‌ها
در صنعت نفت ، انواع گوناگون سینی‌ها در برجهایتقطیر ، تفکیک و جذب بکار برده می‌شوند. ویژگیهایی که در گزینش نوع سینی برای کارمعینی مورد توجه قرار می‌گیرد، عبارت است از: بازدهی تماس بخار و مایع ،ظرفیت سینی، افت بخار در هنگام گذشتن از سینی ، زمان ماندن مایع بر روی سینی ،مشخصات مایع و... . چون در صنعت بیشتر سینی‌های کلاهکدار بکار برده می‌شوند، برای مقایسه مشخصاتسینی‌های دیگر ، آنها را نسبت به سینی‌های کلاهکدار ارزیابی می‌کنند .

منبع:  http://chemistry7374.blogfa.com/post/64