برج تقطیر یک دستگاه بلند و استوانه ای حیاتی و ضروری در صنایع مختلف از جمله پالایش نفت، تولید مواد شیمیایی، داروسازی و تولید نوشیدنی است که نقش مهمی در دستیابی به خلوص و کیفیت محصولات دارد. برج های تقطیر تفکیک ترکیبات و مایعات پیچیده را در دمای مختلف انجام می دهند. مایعات را به کمک تبخیر و تراکم تفکیک کرده و سپس محصول تقطیر شده را به شکل بخار در ظرفها متراکم می کنند. تقطیر یکی از رایج ترین روشهای جداسازی مواد از یکدیگر به دلیل تفاوت در نقطه جوش است که در تمام فرایندهای یک پالایشگاه، عضوی جدایی ناپذیر سیستم می باشد. در ادامه ضمن آشنایی کامل تر و جز به جز با برج تقطیر در مورد اجزای آن، انواع مدل های آن و ویژگی های هر نوع از برج های تقطیر را بررسی خواهیم کرد.
اجزای برج تقطیر
برج تقطیر دستگاهی پیچیده، متشکل از اجزای مختلف است که همه ی این اجزا و تجهیزات در امر جداسازی و خالص سازی مواد به صورت هماهنگ عمل می کنند. در ادامه به هر یک از این اجزا به طور کامل می پردازیم.
دیگ بخار ( بویلر )
بویلر یا دیگ بخار، یکی از مهم ترین اجزای برج های تقطیر است که عموما در پایین برج تقطیر قرار می گیرند و به عنوان منبع انرژی در تامین نیازهای گرمایشی و دیگر فرآیندها به کار می روند. این دیگ ها قادر به تولید بخـار با فشار و درجه حرارت بالا هستند و وظیفه گرم کردن مخلوط مایع برای شروع فرآیند تبخیر را در برج های تقطیر دارند. انرژی بویلر ها با توجه به شرایط محلی و اقتصادی پالایشگاه ها معمولا منابع انرژی مختلفی مانند گاز طبیعی یا نفت سوخت است.
سینی های تقطیر
سینیها شامل صفحات مشبکی هستند که به صورت افقی در سراسر برج در فواصل مختلف قرار می گیرند و سطحی را برای برهم کنش بخار و مایع فراهم می کنند. اسا عملکرد سینی ها در جداسازی مایعات با نقاط جوش مختلف است. سینی ها دارای دهانه هایی هستند که به بخار تولید شده این امکان را می دهند تا از طریق برج به سمت بالا جریان یابد و همچنین مایع متراکم شده به سمت پایین جریان پیدا می کند.
کندانسور
کندانسور یا چگالنده یکی دیگر از مهم ترین و حیاتی ترین اجزای برج تقطیر است. کندانسور ها در اصل دستگاه ها یا تجهیزاتی هستند که معمولا در بالای برج تقطیر قرار می گیرند و وظیفه ی آن ها کاهش دمای بخارات تشکیل شده توسط بویلر در برج تقطیر و تبدیل آن ها به مایع است. از این دستگاه برای فرآیند تراکم استفاده می شود و نقش این دستگاه متراکم کردن بخار و تبدیل آن به مایعات یعنی تغییر فاز از بخار به مایع است.
چیلر
چیلر دستگاه خنک کننده هوای برج تقطیر می باشد و برای فرآیند تقطیر انرژی حرارتی فراهم می کند. این دستگاه که به عنوان سیستم سرمایشی برج به کار میرود، حرارت جذب شده از محیط را به بیرون دفع می کند.
راکتور برج تقطیر
راکتور برج تقطیر یکی دیگر از اجزای حیاتی در برج های تقطیر نفت و پتروشیمی است که در بهبود و بهینه سازی فرآیند تقطیر و تولید محصولات نفتی نقش اساسی را ایفا می کند. این راکتور به عنوان یک واحد تغییر شکل در برج تقطیر عمل می کند و دارای ویژگیهای خاصی برای انجام واکنشهای شیمیایی در داخل برج تقطیر است.
سیستم رفلاکس
سیستم رفلاکس مسئولیت برگرداندن بخشی از مایع تقطیر شده به برج را بر عهده دارد. این جزء از اجزای برج تقطیر، به حفظ دمای مناسب و تعادل گاز و مایع کمک می کند و راندمان جداسازی را افزایش می دهد.
سیستم کاهش فشار
سیستم کاهش فشار یکی از اجزای برج تقطیر می باشد که برای اطمینان از یکپارچگی عملکرد برج در صورت افزایش فشار شدید بر روی برج تعبیه می شود.
جوش آور
ریبویلر ها یا جوش آور ها در قسمت های انتهای برج و یا کنار آن قرار داده می شوند و وظیفه تامین حرارت یا انرژی لازم را برای انجام عمل تقطیر به عهده دارند. معمولا جوش آورها به عنوان یک مرحله تعادلی در فرآیند تقطیر و به عنوان یک سینی در برج های سینی دار در نظر گرفته می شوند. اما به صورت کلی از اجزای برج تقطیر شمارده نمی شوند.
انواع جوش آور
جوش آور ها انواع مختلفی دارند که جوش آورهای داخلی، جوش آور دیگی، مشعل ها، جوش آور ترموسیفونی عمودی، جوش آور ترموسیفونی افقی، دیگ های بخار و جوش آور های اجباری از پرکاربرد ترین جوش آور های مورد استفاده در صنعت پتروشیمی هستند.
انواع برج تقطیر
برج های تقطیر بر اساس ساختار داخلی آن ها در صنعت به دو صورت پرشده و سینی دار طراحی و ساخته می شوند که در ادامه به هر یک از آن ها به طور کامل می پردازیم.
برج تقطیر پر شده
برج تقطیر پر شده یکی از پر استفاده ترین برج های مورد استفاده در صنعت است. در این نوع برج تقطیر، عمل جذب به عنوان بخشی از فرآیند تقطیر صورت می گیرد. نحوه کار برج تقطیر پر شده، برخلاف برج های سینی دار بوده و به گونه ای است که بخار از پایین برج و مایع از بالای برج خارج می شود. ارتفاع این برج نسبت به برج سینی دار کمتر است و سیستمی تحت عنوان پرکن دارند که علاوه بر تقطیر فرایند های دیگری نیز در آن انجام می شود. بازدهی در برج های پرشده به افت فشاری که در آنها رخ می دهد، بستگی دارد و هر چه افت فشار بیشتری داشته باشند بازدهی شان نیز بالاتر می رود. این عمل سبب می شود که جداسازی سریع تر و بهتر انجام شده و حتی حجم نهایی عملیات جداسازی نیز بیشتر شود.
برج تقطیر سینی دار
برج های تقطیر سینی دار یکی از مهم ترین برج های تقطیر در پالایشگاه ها است. این برج ها فرایند تقطیر را به صورت مستقیم یا غیرمستقیم انجام می دهند. در این فرآیند منبع حرارت ریبویلر، حرارت لازم را جهت انجام عمل تقطیر و تفکیک مواد سازنده یک محلول تامین می کند و بخار بالا رونده از برج با مایعی که از بالای برج به سمت پایین حرکت می کند، بر روی سینی ها تماس مستقیم پیدا می کنند. برج های سینی دار به ۴ دسته تقسیم خواهند شد:
برج سینی دار دریچه ای
در این نوع برج های تقطیر، سینی های برج، صفحات سوراخ داری هستند که هر سوراخ آن ها به یک صفحه کوچک متحرک مجهز می شود و توسط دریچه هایی پوشانده می شوند. این دریچه ها به دو صورت متحرک و ثابت ساخته می شوند. با افزایش جریان بخار، دریچه ها به صورت عمودی و در امتداد هم به سمت بالا حرکت خواهند کرد. عملیاتی که راه را برای عبور بخار آماده می کند.
برج سینی دار غربالی
این نوع برج های سینی دار، شامل یک صفحه فلزی مشبک است 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 می توان به قیمت ارزان آن ها، ظرفیت بالا و افت فشار کم آن ها اشاره کرد.
برج سینی دار فنجانی
برج های سینی دار فنجانی نیز دارای صفحات فلزی مشبکی هستند که هر سوراخ آن توسط لوله ای که گاز را به سمت بالا هدایت می کند احاطه شده و یک فنجان وارونه بر روی آن قرار گرفته است. در این برج ها جریان های گاز عملکرد خوبی دارند و مایع از سوراخ های سینی آن نشت نمی کند.
برج سینی دار کلاهک دار
در برج های سینی دار کلاهک دار، بخار وارد کلاهک ها می شود و از شکاف هایی که بر روی کلاهک تعبیه شده عبور می کند تا به مایع برسد. در این برج ها قدرت جداسازی با تعداد سینیها تعیین خواهد شد. یعنی هر چه تعداد انواع سینی های برج تقطیر بیشتر باشد، نوع انتقال ماده و قدرت جداسازی آن ها متفاوت تر است.
ویژگی های برج تقطیر اکسیژن
یکی از متداول ترین روش های تولید اکسیژن در صنایع مختلف شیمیایی، جداسازی عناصر هوا به روش تقطیر پیوسته در دمای پایین می باشد. این نوع تقطیر به تقطیر کرایوژنیک (به معنی بسیار سرد) نیز شناخته می شود. برج های تقطیر اکسیژن، فاقد ریبویلر یا جوش آور بوده و در آن ها خوراک به صورت گاز از پایین وارد برج شده و از بالای برج اکسیژن خالص به صورت مایع و گاز خارج می شود. واحد تولید اکسیژن دارای دو برج تقطیر می باشد که به دلیل محدوده دمایی بسیار سرد واحد های آن، تمامی ساختار به صورت یکپارچه درون یک محفظه کاملا عایق شده قرار می گیرد تا از اتلاف حرارتی جلوگیری کند. این محفظه به محفظه سرد و یا Cold Box معروف است. در این واحد ها با استفاده از تولید گرما و فرآیند اختناق دمای سیال را کاهش می دهند تا سیال به صورت مایع درآید.
ویژگی های برج تقطیر استیل
برج تقطیر استیل در بخش تولیدات فرآیند های پتروشیمی، شیمیایی، تولید گازهای طبیعی، تولید حلال های هیدرو کربنی و تولید قطران کاربرد های فراوانی دارد. اساس عملکرد این برج وجود تفاوت در نقطه جوش مایعات می باشد. مهم ترین عاملی که باید در این نوع برج ها در نظر گرفته شود، توزیع اجزا و ایجاد سطح تماسی مناسب میان فاز مایع و گاز می باشد. زیرا هر چه سطح تماس بیشتر شود و افزایش یابد، عملیات جداسازی و تفکیک با بازدهی بالاتری صورت می پذیرد. از محصولاتی که توسط برج تقطیر های استیل تولید می شود می توان به بنزین، نفت کوره، پارافین، گازوئیل و سوخت های دیزل اشاره کرد.
ویژگی های برج تقطیر اتانول
برج تقطیر الکل برای بازیابی الکل در صنایع مختلف مانند صنایع غذایی، صنایع سبک، صنایع شیمیایی و غیره مناسب است. استفاده از این برج در فرآیند های صنعتی مزایایی دارد که از جمله آن ها می توان به افزایش بهره وری، کاهش هزینه ها، تولید اتانول با کیفیت بالا و کنترل بهتر فرآیند اشاره کرد. برج تقطیر در این سیستم قادر است آب را از اتانول جدا کرده و آن را از 30-50٪ به 90-95٪ تقطیر می کند. معمولا برای برج های تقطیر پیوسته، بسته به طراحی در یک یا دو مرحله خلوص الکل به 96 درجه حجمی می رسد. در این برج ها خلوص خروجی پایدار است. اما در برج های تقطیر ناپیوسته در ابتدا خلوص 96 درجه وجود دارد اما به مرور زمان خلوص افت می کند.
ویژگی های برج تقطیر سینی دار
این برج یکی از انواع برج های تقطیر در پالایشگاه ها است که جداسازی را به صورت مستقیم و غیر مستقیم انجام می دهد. در این نوع برج ها جریان مایع از بالا به پایین و جریان گاز بصورت ناهمسو با هم در تماس هستند و تماس این فازهای ناهمسو روی سینی های برج تقطیر انجام می شود. این تماس باعث زیاد شدن دمای مایع روی سینی شده و در نهایت باعث نزدیک شدن دمای مایع به دمای حباب می گردد. با رسیدن مایع به دمای حباب به تدریج اولین ذرات بخار حاصل می شود که این بخارات غنی از ماده فرار می باشد. از طرفی دیگر در فاز بخار موادی که از نقطه جوش کمتری برخوردار هستند، تحت عمل میعان قرار گرفته و به صورت فاز مایع به سمت پایین برج حرکت می کند. در این بین سینی های تقطیر با ایجاد سطح تماس مناسب بین فازهای بخار و مایع باعث افزایش راندمان این عمل می شود.
تفاوت جداسازی و تقطیر
جداسازی فرایندی است که مخلوط یا محلول شیمیایی را به دو یا چند محصول متمایز تبدیل می کند. جداسازی بر اساس تفاوت در خواص شیمیایی یا فیزیکی مواد انجام می شود. جداسازی مواد بر اساس تقسیم بندی بین فازها، تفاوت در اندازه یا چگالی، تغییرات شیمیایی و یا فیزیکی انجام می شود که تقطیر نیز یکی از این روش های جداسازی ماده است. تقطیر (Distillation) روشی است برای جداسازی و خالص سازی مواد شیمیایی که بر پایه ی تفاوت نقطه جوش مواد انجام می شود. این فرایند عموما بخشی از یک فرآیند شیمیایی در واحد های صنعتی است. تقطیر در برج تقطیر انجام می شود و بر اساس میزان فراریت نسبی مواد، آن ها را از هم جدا می کند، به این صورت که جزء سبک تر در فاز گاز و سنگین تر در فاز مایع باقی می ماند.
طراحی و ساخت برج تقطیر
برج تقطیر به صورت تقطیر مواد مایع (مانند نفت خام)، تقطیر مواد گازی (مانند هیدروکربنهای گازی) یا تقطیر ترکیبی (مایع و گاز) طراحی می شود و نوع تقطیر تعیین کننده اصلی ساختار برج است. در طراحی برج تقطیر پیوسته و ناپیوسته ارتفاع، قطر برج، فشار، دما و سینی ورودی خوراک اهمیت ویژه ای دارد. یزای مثال ارتفاع برج تاثیر زیادی بر کارایی جداسازی داشته و بسته به نوع مواد و فرآیند تقطیر متغیر است. همچنین قطر برج متغیر بوده و بسته به حجم مواد و فرآیند تقطیر مورد استفاده تغییر می کند. در طراحی و ساخت برج تقطیر با افزایش ارتفاع برج، قطر کاهش می باید. زیرا با افزایش ارتفاع ستون تقطیر، سرعت جریان گاز در داخل ستون کاهش یافته و دیگر نیاز به قطر بزرگتر برای جلوگیری از خوردگی و فشار نیست. در نظر گرفتن این پارامترها در حین طراحی، خسارات جبران ناپذیری وارد می کند. بهینه سازی این فاکتورها در طراحی و شبیه سازی برج تقطیر، علاوه بر افزایش راندمان، به کاهش قیمت ساخت یک برج نیز منجر خواهد شد.
جمع بندی
برج تقطیر یکی از اساسی ترین تجهیزات در صنایع مختلف می باشند. برج های تقطیر به شکل وسیعی در صنایع شیمیایی و پتروشیمیایی که در آن باید مقدار زیادی از مایعات تقطیر شوند، مورد استفاده قرار می گیرد به گونه ای که می توان گفت یکی از ارکان مهم پالایشگاه ها و صنایع پتروشیمی است. از این رو در این مقاله به طور کامل در مورد انواع برج های تقطیر، اجزای آن ها و نحوه عملکرد آن ها توضیح دادیم تا پاسخ تمامی سوالات شما در مورد برج تقطیر باشد.
