عملیات تقطیر

عملیات تقطیر

          1- تقطیر ساده

هنگامیكه ناخالصی غیرفراری مانند شكر به مایع خالصی اضافه شود، فشار بخار مایع تنزل می یابد. زیرا وجود جزء غیر فرار به مقدار زیادی غلظت ماده فرار را پایین می آورد. یعنی دیگر تمام مولكول هایی كه در سطح مایع موجودند، مولكولهای جسم فرار نیستند و بدین ترتیب قابلیت تبخیر مایع كم می شود. عملیات تقطیر ساده را می توان به دو روش انجام داد:

  • تقطیر ساده غیرمداوم: در این روش تقطیر، مخلوط حرارت داده می‌شود تا به حال جوش درآید. بخار حاصل غنی از جزء سبک مخلوط می‌باشد که پس از عبور از کندانسور تبدیل به مایع شده و از سیستم تقطیر خارج می‌گردد. به تدریج غلظت جزء سنگین مخلوط در مایع باقیمانده زیاد می‌شود و نقطه جوش آن بالا می‌رود. به این ترتیب، هر لحظه از عمل تقطیر، ترکیب فاز بخار حاصل و مایع باقی مانده تغییر می‌کند.

تقطیر ساده مداوم: در این روش، مخلوط اولیه (خوراک دستگاه) بطور مداوم با مقدار ثابت در واحد زمان، در جوش آور (بویلر) گرم می‌شود تا مقداری از آن بصورت بخار درآید و به محض ورود به ستون تقطیر، جزء سبک مخلوط بخار از جزء سنگین جدا می شود و از بالای ستون تقطیر خارج می‌گردد و بعد از عبور از کندانسور به صورت مایع در می‌آید جزء سنگین نیز از ته ستون تقطیر خارج می‌شود. قابل ذکر است که همیشه جزء سبک حاوی مقداری جزء سنگین و جزء سنگین نیز دارای مقداری از جزء سبک است.

             2- تقطیر تبخیر آنی (ناگهانی)

وقتی محلول چند جزئی مانند نفت خام حرارت داده شود، اجزای تشکیل دهنده آن به ترتیب وزن مولکولی (از سبک به سنگین) زودتر بخار می‌شوند. برعکس وقتی بخار حاصل سرد شود، جز سبک تر دیرتر مایع می‌گردد. با توجه به این خاصیت، می‌توان نفت خام را به روش دیگری که به آن "تبخیر آنی" گفته میشود، تقطیر نمود. در این روش، نفت خام حرارت داده می شود سپس با کاهش ناگهانی فشار، اجزای آن تبدیل به بخار می گردند. با سرد کردن مایع، به ترتیب سنگینی، اجزا مایع می‌شوند یعنی هرچه جزیی سنگین‌تر باشند، زودتر مایع می‌گردد تا اجزای نفت خام از هم جدا شوند.

           3- تقطیر در خلا

با توجه به اینکه نقطه جوش مواد سنگین نفتی نسبتا بالاست و نیاز به دما و انرژی زیادی دارد، و از طرفی ممکن است مقاومت این مواد در مقابل حرارت بالا کم ‌باشد و تجزیه گردند، لذا برای جدا کردن آنها از خلا نسبی استفاده می‌شود. در این صورت مواد در دمای پایین‌تر از نقطه جوش معمولی خود به جوش می‌آیند. پس تقطیر در خلا به انرژی و دمای کمتر نیاز دارد و همچنین مولکول ها تجزیه نمی‌شوند. امروزه در بیشتر موارد در عمل تقطیر، از خلا استفاده می‌شود. یعنی هم تقطیر جزء به جزء و هم تقطیر آنی را در خلا انجام می‌دهند.

           4- تقطیر به کمک بخار آب

یکی دیگر از روش های تقطیر استفاده از بخار آب می باشد. در این روش بخار آب را به دستگاه تقطیر وارد می‌کنند و بدون آنکه خلا ایجاد گردد، اجزای نفت خام در درجه حرارت کمتری تبخیر می‌شوند. این روش معمولا زمانی انجام می‌شود که در نقطه جوش آب، فشار بخار اجزای جدا شونده بالا باشد تا به همراه بخار آب از مخلوط جدا گردند. غالبا به كمك تقطیر با بخار آب می توان تركیبات آلی فراری را كه با آب مخلوط نمی شوند یا تقریبا با آن غیرقابل اختلاط هستند تفكیك و تخلیص كرد. در این روش مخلوط آب و جسم آلی با هم تقطیر می شوند. عمل تقطیر یك مخلوط غیرقابل امتزاج در صورتی كه یكی از اجزاء آب باشد تقطیر با بخار آب نامیده می شود.

           5- تقطیر آزئوتروپی

از این روش تقطیر معمولا در مواردی که نقطه جوش اجزاء مخلوط بهم نزدیک باشند استفاده می‌شود جداسازی مخلوط اولیه، با افزایش یک حلال خاص که با یکی از اجزای کلیدی، آزئوتوپ تشکیل می‌دهد امکان‌پذیر است. آزئوتروپ، محصول تقطیر یا ته مانده ستون می باشد و بعد حلال و جزء کلیدی را از هم جدا می‌کند. معمولا، ماده افزوده شده آزئوتروپی با نقطه جوش پایین تشکیل می‌دهد که به آن شکننده آزئوتروپ می‌گویند. آزئوتروپ اغلب شامل اجزای خوراک است، اما نسبت اجزای کلیدی به سایر اجزای خوراک خیلی متفاوت بوده و بیشتر است.

            6- تقطیر استخراجی

جداسازی اجزای با نقطه جوش تقریبا یکسان از روش تقطیر ساده مشکل و حتی اگر مخلوط ایده آل باشد به دلیل تشکیل آزئوتروپ، جداسازی کامل آنها غیر ممکن است برای چنین سیستم هایی با افزایش یک جزء سوم به مخلوط که باعث تغییر فراریت نسبی ترکیبات اولیه می‌شود، جداسازی ممکن می‌شود. جزء افزوده شده باید مایعی با نقطه جوش بالا باشد، قابلیت حل شدن در هر دو جزء کلیدی را داشته و از لحاظ شیمیایی به یکی از آنها شبیه باشد.

            7- تقطیر جزء به جزء

اجزای سازنده محلول شامل دو یا چند فرار را که از قانون رائولت پیروی می‌کنند، می‌توان با فرایند تقطیر جزء به جزء از هم جدا کرد. طبق قانون رائول ، فشار بخار محلول برابر با مجموع اجزای سازنده آن است و سهم هر جزء برابر با حاصلضرب کسر مولی یک جزء در فشار بخار آن در حالت خاص است. در تقطیر محلولی از B و A غلظت A در بخاری که خارج شده و مایع می‌شود، بیش از غلظت آن در مایع باقی مانده است. با ادامه عمل تقطیر، ترکیب درصد اجزا در بخار و مایع دائما تغییر می‌کند و این در هر نقطه عمومیت دارد. با جمع آوری مایعی که از سرد شدن بخار حاصل می‌شود و از تقطیر مجدد آن و با تکراری پی در پی این عمل، سرانجام می‌توان اجزای سازنده مخلوط اصلی را به صورتی واقعا خالص بدست آورد. برای سهولت در اینجا فقط محلول­های ایده آل دو تایی را كه محتوی دو جز فرار R و S باشند در نظر می گیریم. محلول ایده آل به محلولی اطلاق می شود كه در آن اثرات بین مولكول های متجانس مشابه با اثرات بین مولكول های غیر متجانس باشد. گرچه فقط محلولهای ایده آل به طور كامل از قانون رائولت پیروی می كنند، ولی بسیاری از محلول های آلی به محلول های ایده آل نزدیك هستند.

             8- تقطیر جزء به جزء محلول های غیر ایده آل

گرچه بیشتر مخلوط های یكنواخت مایع به صورت محلول های ایده آل عمل می كنند ولی نمونه های بسیاری وجود دارد كه نحوه عمل آنها ایده آل نیست. در این محلول ها مولكول های غیرمتجانس در مجاورت یكدیگر به طور یكسان عمل نمی كنند. انحراف حاصل از قانون رائولت به دو روش انجام می گیرد.

بعضی از محلول ها فشار بخار بیشتری از فشار بخار پیش بینی شده ظاهر می سازند و گفته می شود كه انحراف مثبت دارند. بعضی دیگر فشار بخار كمتری از فشار پیش بینی شده آشكار می کنند. می گویند كه انحراف منفی نشان می دهند. در انحراف مثبت نیروی جاذبه بین مولكول های مختلف دو جزء سازنده ضعیف تر از نیروی جاذبه بین مولكول های مشابه یك جزء است و در نتیجه در حدود تركیب درصد معینی فشار بخار مشترك دو جزء بزرگتر از فشار بخار جزء خالصی می شود كه فرارتر است. بنابراین مخلوط هایی كه تركیب درصد آنها در این حدود باشد، درجه جوش كمتری از هر یك از دو جزء خالص دارند. مخلوطی كه در این حدود حداقل درجه جوشش را دارد باید به صورت جزء سوم در نظر گرفته شود. این مخلوط نقطه جوش ثابتی دارد، زیرا تركیب درصد بخاری كه در تعادل با مایع است با تركیب درصد خود مایع برابر است. چنین مخلوطی را آزئوتروپ یا مخلوط آزئوتروپ با نقطه جوشش مینیمم می نامند. از تقطیر جزء به جزء این مخلوط ها، محصول خالص به دست نمی آید بلكه جزئی كه تركیب درصد آن از تركیب درصد آزئوتروپ بیشتر باشد تولید می شود. در انحراف منفی از قانون رائولت نیروی جاذبه بین مولكول های مختلف دو جزء قویتر از نیروی جاذبه بین مولكول های مشابه یك جزء است و در نتیجه تركیب درصد معینی فشار بخار مشترك دو جزء كمتر از فشار بخار جزء خالص می شود كه فرارتر است. بنابراین مخلوط هایی كه تركیب درصد آنها در این حدود باشد حتی نسبت به جزء خالصی كه نقطه جوش بیشتری دارد در درجه حرارت بالاتری می جوشند. در اینجا تركیب درصد به خصوصی وجود دارد كه به آزئوتروپ با جوشش ماكزیمم مربوط می شود. تقطیر جزء به جزء محلول هایی كه تركیب درصدی غیر از تركیب درصد آزئوتروپ دارند باعث خروج جزئی مخلوط می شود كه تركیب درصد آن از آزئوتروپ بیشتر باشد.

ستونهای تقطیر جزء به جزء

این ستون ها انواع متعددی دارند ولی در تمام آنها ویژگی های مشابهی وجود دارد. این ستون ها مسیر عمودی را به وجود می آورند كه باید بخار در انتقال از ظرف تقطیر به مبرد از آن بگذرد. این مسیر به مقدار قابل ملاحظه ای از مسیر دستگاه تقطیر ساده طویل تر است. هنگام انتقال بخار از ظرف تقطیر به بالای ستون مقداری از بخار متراكم می شود. چنان چه قسمت پایین این ستون نسبت به قسمت بالای آن در درجه حرارت بیشتری نگهداری شود، مایع متراكم شده و در حالی كه به پایین ستون می ریزد، دوباره به طور جزئی تبخیر می شود. بخار متراكم نشده همراه بخاری كه از تبخیر مجدد مایع متراكم شده حاصل می شود، در داخل ستون بالاتر می روند. این اعمال باعث تقطیر مجدد مایع می شود و به طوریكه در هر یك از مراحل فاز بخاری كه به وجود می آید نسبت به جز فرارتر غنی تر می شود. ماده متراكم شده ای كه به پایین ستون می ریزد، در مقایسه با بخاری كه با آن در تماس است در هر یك از مراحل نسبت جزیی كه فراریت كمتری دارد، غنی تر می شود. در شرایط ایده آل بین فازهای مایع و بخار در سراسر ستون تعادل برقرار می شود و فاز بخار بالایی تقریبا به طور كامل از جزء فرارتر تشكیل می شود و فاز مایع پایینی نسبت به جزئی كه فراریت كمتری دارد، غنی تر می شود. مهم ترین شرایطی كه برای ایجاد این حالت لازم است عبارتند:

- باید تماس كامل و مداوم بین فازهای بخار و مایع در ستون وجود داشته باشد.

- طول ستون کافی باشد.

چنانچه این دو شرط وجود داشته باشد می توان با یك ستون طویل تركیباتی كه اختلاف كمی در نقطه جوش دارند به طور رضایت بخش از هم جدا كرد، زیرا طول ستون مورد لزوم و اختلاف نقاط جوش اجزا با هم نسبت عكس دارند. معمول ترین راه ایجاد تماس لازم بین فازهای مایع و بخار آن است كه ستون با مقداری ماده بی اثر مانند شیشه یا سرامیك یا تكه های فلزی به اشكال مختلف كه سطح تماس وسیعی را فراهم می كنند، پر شود. یكی از راه های بسیار موثر ایجاد این تماس بین مایع و بخار آن است كه نوار چرخانی از فلز یا تفلون كه با سرعت زیادی در داخل ستون بچرخد به كار رود. این عمل نسبت به ستون های پر شده ای كه قدرت مشابهی دارند این مزیت را دارد كه ماده كمی را در داخل ستون نگاه می دارد (منظور از این نگهداری، مقدار مایع و بخاری است كه برای حفظ شرایط تعادل در داخل ستون لازم است).

تقطیر با مایع برگشتی

در این روش تقطیر قسمتی از بخارات حاصله در بالای برج، بعد از میعان به صورت محصول خارج شده و قسمت زیادی به داخل برج برگردانده می‌شود. این مایع به مایع برگشتی موسوم است. مایع برگشتی با بخارات در حال صعود در تماس قرار داده می‌شود تا انتقال جرم و انتقال حرارت صورت گیرد. از آنجا که مایعات در داخل برج در نقطه جوش خود هستند، لذا در هر تماس مقداری از بخار، تبدیل به مایع و قسمتی از مایع نیز تبدیل به بخار می‌شود. نتیجه نهایی مجوعه این تماس ها، بخاری اشباع از هیدروکربن ها با نقطه جوش کم و مایعی اشباع از مواد نفتی با نقطه جوش زیاد می‌باشد. در تقطیر با مایع برگشتی با استفاده از تماس بخار و مایع، می‌توان محصولات مورد نیاز را با هر درجه خلوص تولید کرد، مشروط بر اینکه به مقدار کافی مایع برگشتی و سینی در برج موجود باشد. بوسیله مایع برگشتی یا تعداد سینی های داخل برج می‌توانیم درجه خلوص را تغییر دهیم. لازم به توضیح است که ازدیاد مقدار مایع برگشتی باعث افزایش مصرف انرژی خواهد شد. چون تمام مایع برگشتی باید دوباره به صورت بخار تبدیل شود. امروزه به علت گرانی سوخت، سعی می‌شود برای بدست آوردن خلوص بیشتر محصولات، به جای ازدیاد مایع برگشتی از سینی های بیشتری در برج تقطیر استفاده شود. در هنگام راه اندازی سیستم، ابتدا مایع برگشتی را صد درصد انتخاب کرده و بعد مرتبا این درصد را کم می‌کنند و به صورت محصول خارج می‌کنند تا به این ترتیب دستگاه تنظیم شود.

برج های سینی دار:

برج هاي سيني دار مهمترين نوع برج هايي هستند كه در مراكز مهم صنعتي مانند پالايشگاه ها از آنها استفاده مي شود. لفظ سيني دار به اين دليل به اين برج ها اطلاق مي شود كه داخل برج به فواصل معيني صفحه هاي فلزي سوراخداري كه بعداً در مورد آنها بحث مي كنيم قرار داده شده است. اين برج ها به ارتفاع هاي مختلفي ساخته مي شود كه ممكن است از چند متر تا بيش از 50 متر متغير باشد. قطر اين برج ها نيز ممكن است تا بيش از 5 متر هم ساخته شود.

بحث سيني ها يكي از گسترده ترين مباحث مربوط به برج است كه طي سال هاي اخير محققان را بر آن داشته تا سيني هايي با شكل ها و كاربردهاي مختلف طراحي كنند. سيني ها را مي توان به سه دسته كلي تقسيم كرد:

  • سيني هاي غربالي (Sieve Tray)

سيني غربالي عبارت است از يك صفحه مشبك كه از سوراخ هاي آن حباب هاي گاز توليد و پس از گذشتن از لايه مايع روي سيني به سمت بالا حركت مي كنند.

از مزاياي اين سيني ها به مي توان قيمت ارزان آنها و همچنين ظرفيت بالا در مقايسه با انواع دريچه اي (Valve) و فنجاني (Cap) اشاره كرد. مزيت ديگر اين سيني ها افت فشار كم آنها است كه مجموعاً باعث شده كه در طراحي ها در صورتي كه مشكل عمده اي در ميان نباشد به عنوان اولين انتخاب در نظر گرفته شود.

  • سيني هاي دريچه اي (Valve Tray)

اين نوع از سيني عبارت است از يك صفحه سوراخدار كه هر سوراخ مجهز به يك صفحه كوچك (ديسك) متحرك است. سوراخ ها و صفحه ممكن است مدور و يا مستطيل شكل باشند. در دبي كم بخار، صفحه بر روي سوراخ مستقر شده و آنرا به نحوي مي پوشاند كه مايع چكه نكند. با افزايش دبيِ بخار دريچه در امتداد قائم به طرف بالا حركت كرده و مجرا را براي عبور بخار باز مي كند. حركت قائم صفحه توسط يك قفس يا پايه هاي نگه دارنده محدود مي شود. بعلاوه پايه ها و قفس مانع از حركت افقي دريچه مي شوند .از مزاياي اين سيني ها مي توان به قيمت مناسب آن در مقايسه با نوع Cap Tray اشاره كرد. يكي ديگر از مزاياي اين سيني انعطاف پذيري اين سيني به تغييرات دبي بخار ورودي است.

سيني هاي فنجاني (Bubble Cap Tray)

اين سيني متشكل از يك صفحه سوراخدار است كه روي هر سوراخ يك لوله هدايت گاز به بالا و يك فنجان وارونه وجود دارد. شكل هاي متنوعي از اين نوع فنجانها به بازار عرضه شده است. در سيني فنجاني معمولاً لايه اي از مايع بر روي سيني باقي مي ماند و گاز خروجي از زير فنجان بايد از داخل اين لايه عبور كند.

آرايش فنجان ها معمولاً به نحوي است كه در رئوس يك مثلث متساوي الاضلاع قرار مي گيرند. فنجان ها معمولا به لوله بالابر گاز پيچ شده يا توسط ميل هايی به لوله يا سيني مهار مي شوند.

شكاف هاي روي هر فنجان، مستطيلي با عرض 0.3 تا 0.95 سانتي متر و طول 1.3 تا 3.8 سانتي متر مي باشند. فنجانهاي عرضه شده به بازار از 2.5 تا 15 سانتي متر قطر دارند. از مزاياي اين سيني ها اين است كه اولاً نشتي مايع از طريق سوراخ هاي سيني وجود ندارد، همچنين در دبي هاي بسيار كم گاز به خوبي عمل مي كند.