توضیحات کلی تقطیر جز به جز:
تكنولوژي تقطير جز به جز و ساده از متداولترين تجهيزات موجود در سايتهاي توليد و بازيافت است. در تقطیر جز به جز از تفاوت نرخ فراريت حلال هاي آلي به عنوان فاكتور جداسازي حلال ها از يكديگر استفاده مي شود. به طور معمول سيستم تقطير براي سه هدف مشخص پياده سازي مي شود؛
۱-جداسازي حلال از مواد نافرار همچون پليمر يا نمكهاي معدني
۲-جداسازي حلال هاي آلي از يكديگر
۳-جداسازي آب از حلال هاي آلي
در تقطیر جز به جز مخلوط حلال های آلی توسط یک تبخیرکننده به جوش آمده و تبخیر می شود. بخار حاصله به عنوان خوراک وارد برج تقطیر می شود. برج تقطیر جز به جز از پکینگ های سرامیکی، شیشه ای، استیل و يا سيني هاي جدا كننده پر شده است. در طول برج تقطیر جز به جز این مواد با توجه به تفاوت فراریت از یکدیگر جدا می شوند. مواد سبک تر و فرارتر از بالای برج و مواد سنگین تر از انتهای برج خارج شوند.
مکانیسم عملکرد سیستم های تقطیر جز به جز :
در سیستم های تقطیر جز به جز برای افزایش میزان جداسازی می بایست از سیستم رفلاکس استفاده کرد. مقداری از محصول سرد به بالای برج تزریق می شود، تا مواد سنگین تر را کندانس نماید. و سپس ترکیبات سنگین را به پایین برج منتقل کند. این جریان برگشتی به عنوان نسبت ريفلاكس (Reflux Ratio) شناخته مي شود. نسبت ریفلاکس، طول برج و تعداد سینی های برج تقطیر جز به جز با توجه به ترکیب درصد خوراک و درصد مورد نیاز محصول، قابل محاسبه است.
عملکرد سیستم های تقطیر جز به جز به دو حالت تقطیر پیوسته (Continuous) و تقطیر ناپيوسته (Batch) تقسیم می شود. در سیستم های تقطیر پیوسته خوراک بصورت مداوم به برج تقطیر جز به جز وارد شده و محصول بصورت مداوم از برج تقطیر خارج می شود. در سیستم های تقطیر ناپیوسته خوراک بصورت یک جا به سیستم تزریق می شود. در سیستم های تقطیر نیمه پيوسته (Semi Batch) خوراک اولیه بصورت یک جا به بویلر شارژ می شود. جریانی از خوراک نیز بصورت مداوم به بویلر و نه به برج شارژ می شود.
در تقطیر جز به جز به روش نیمه پیوسته، ترکیب درصد مواد داخل بویلر بصورت مداوم تغییر می کند. لذا برای ثابت نگاه داشتن میزان جداسازی، میزان رفلاکس نيز با گذشت زمان باید افزایش یابد. در سیستم های تقطیری که برای ریکاوری حلال های مختلف استفاده می شوند، معمولاً محاسبات تعداد سینی برج تقطیر جز به جز بالاتر در نظر گرفته می شود. این عمل موجب می شود تا برای جداسازی حلال هایی که تعداد سینی بيشتری نیاز است، مشکلی بوجود نیاید.
تقطیر پیوسته
تقطیر ناپیوسته
عوامل کلیدی در طراحی تجهیز تقطیر جز به جز :
در جدول روبرو متدهاي مختلف تقطير جز به جز قابل مشاهده است. با طراحي دقيق و تجهيزات به روز مي توان هر شش فرآيند را با يك تجهيز انجام داد. اما تجهيزاتي كه مختص يك نوع فرايند طراحي و ساخته شده باشد از راندمان و كيفيت بالاتري برخوردار خواهد بود. جهت طراحي تجهيزات تقطير جز به جز براي توليد و بازيافت حلالهاي آلي ۳ موضوع كليدي مورد بررسي قرار مي گيرد؛
۱- آيا تجهيز براي يك فرآيند خاص ، براي چند فرآيند خاص و يا اينكه براي هرگونه فرآيند تقطير طراحي مي گردد؟ براي مثال در كارخانه هاي توليد حلال هاي استري معمولاً از تجهيزات تقطير جز به جز براي جداسازي محصول از باقيمانده واکنش دهنده ها در واكنش استري شدن استفاده مي گردد. تجهيزات فوق قادر به جداسازي اين حلال ها در فشار اتمسفريك است. اما آيا سفارش دهنده تجهيزات قصد جداسازي اجزا خوراك نفتي را نيز با همين تجهيزات دارد؟ با تغييرات جزئي در طراحي اوليه تجهيزات مي توان از هزينه هاي گزاف تغيير كاربري سيستم هاي تقطير جز به جز جلوگيري نمود. به این ترتیب می توان از ابتدا تجهيزات را براي كاربردهاي مختلف آماده ساخت.
۲- موضوع دوم بررسي وجود آزئوتروپ بين حلال هاي موجود در فرآيند است. وجود نقطه آزئوتروپ در فرآيند موجب عدم جداسازي جز به جز از نقطه اي به بعد مي شود. این جدا نشدن اجزا باعث كاهش كيفيت و خلوص محصولات مي گردد. هر چند روش هايي براي شكستن آزئوتروپ ها وجود دارد اما در طراحي فرآيند و تجهيز نیاز است که در ابتداي عمل وجود آزئوتروپ ها و روش هاي شكستن آن پيش بيني شده باشد.
۳-سوم قدرت جداسازي برج تقطير به عنوان قلب فرآيند تقطير جز به جز است؛
تعداد مراحل تئوري (سيني هاي) برج تقطير بايد چقدر باشد؟
در طراحي صنعتي در شبيه سازي فرآيندي و در طراحي مكانيكي تجهيزات، همواره از نرم افزار هاي شبيه سازي و طراحي صنعتي بسيار پيشرفته اي استفاده مي گردد. اما روش هاي ميانبر كه قبل از عصر كامپيوترهاي شخصي مورد استفاده قرار مي گرفت، هنوز هم در مراحل اوليه امكان سنجي فرآيند و طراحي قابل استفاده هستند. در بسياري از طراحي ها از داده ي استخراج شده از آزمايشگاه در مراحل اوليه امكان سنجي فرآيند و طراحي استفاده می شود.
در طراحي برخی از تجهیزات تقطیر از داده های آزمایشگاهی بدست آمده از تجهيزات تقطير شيشه اي استفاده مي شود. اما اين نتايج به اندازه کافی براي شبيه سازي در مقیاس صنعتي قابل استناد نیستند. لذا در فرآيند هاي جداسازی كمتر شناخته شده يا تركيبات حلال هاي آلي نوآورانه که فرضاً به عنوان حلال واكنش يا شست و شو و يا به عنوان مخلوطي از حلال و كاتاليزور مورد استفاده قرار می گیرند، نه تنها تستهاي آزمايشگاهي بلكه طراحي و ساخت تجهيزات پايلوت جداسازي نیز پيشنهاد مي گردد.
برآورد عملکرد برج های تقطیر جز به جز
تعداد سيني ها يا مراحل جداسازي در برج و همچنين مشكلات پيش رو همچون تشكيل آزئوتروپ، تشكيل فوم در برجهاي سيني دار و خيس نخوردن پكينگ در برجهاي آكنده بايد با مطالعه و آزمايش مد نظر قرار گيرند. جهت ارزيابي عملكرد برجهاي تقطير به طور معمول تركيبات دوگانه با فراريت نسبي مشخص و نمودارهاي VLE با داده هاي استخراج شده مشخص، به عنوان خوراك به برج تزريق می شوند. پس از عمليات جداسازي راندمان و كيفيت محصولات اندازه گيري می گردد. عملكرد برج بر اين اساس سنجيده مي شود.
سنجش عملكرد برج بسته به تعداد مراحل جداسازي انجام مي شود. به طوريكه تركيب دوتايي كه براي تست انتخاب مي شود بايد بر اساس ظرفيت برج و خواص دو ماده انتخاب گردند. مخلوط شناساگر ها بايد رفتار تقريباً ايده آل داشته و همچنين در نقطه جوش خود پايداري شيميايي داشته باشند. علاوه بر این؛ قيمت مناسب و سميت كمي داشته باشند. در جدول ۲ مثالهايي از تركيبات از اين دست بر اساس تعداد مراحل جداسازي برج تقطیر جز به جز دسته بندي شده اند.
تقطیر پیوسته یا ناپیوسته؟
برج تقطیر ناپیوسته
تصميم اينكه براي جداسازي حلال ها از يكديگر با استفاده از تقطير جز به جز پيوسته يا ناپيوسته استفاده شود، الزاماً بستگي به قدرت جداسازي ندارد. در تقطير ناپيوسته تنها يك مرحله عريان سازي در تبخيركننده اتفاق مي افتد. این در حالی است که در تقطير جز به جز پيوسته همزمان با پیشرفت فرآیند، جداسازی اجزا (Fractionation) در بالاي برج، در پايين برج و در ريبويلر عريان سازي انجام مي شود.
بسياري از عمليات های بازيافت حلال در حجم هاي ثابت، به صورت مداوم و با تركيب درصد مشخص و ثابت نيست. لذا استفاده از تقطير جز به جز پيوسته برای بازیافت حلال های آلی حتی در کارخانه هایی که ضایعات ثابت دارند، پیشنهاد نمی گردد. چرا كه لازمه كاركرد تقطیر جز به جز پیوسته مدت زمان طولاني فرآيند، حجم و كيفيت ثابت خوراك است. در تقطير ناپيوسته (تقطیر بچ) در طول فرآيند و به تدريج تركيب درصد ماده فرارتر در تبخيركننده كم مي شود تا به تركيب درصد مشابه در ريبويلر سيستم تقطير پيوسته برسد. در اين مقطع جداسازي مشابه به فرايند جداسازی در سيستم تقطیر جز به جز پيوسته و با خوراك مشابه و محصولات مشابه انجام خواهدشد.
تعداد سيني هاي لازم براي جداسازي خوراك مشابه در ابتداي فرآيند تقطیر جز به جز ناپيوسته كمتر از تقطير پيوسته است. زیرا در تقطیر ناپیوسته با ورود خوراک به تبخیر کننده ترکیب درصد ماده ی فرارتر به شکل قابل توجهی کاهش می یابد. بنایراین جداسازی خوراکی که سهم بیشتر آن را ماده ی سنگین تر تشکیل داده، با تعداد سینی کمتر در برج تقطیر جز به جز امکان پذیر است. محصول خروجی از این تقطیر، کیفیت و خلوصی مشابه با تقطیر پیوسته با تعداد سینی های بیشتر دارد.
مزایا و معایب تقطیر جز به جز به صورت ناپیوسته :
مزایا :
۱- سيني هاي كمتر در شرايط خاص
۲- طراحي راحت تر
۳- امكان تقطير تركيب درصد هاي مختلف مواد
معایب :
۱- كنترل فرايند، آناليز، تغيير نرخ ريفلاكس و … اپراتوري فرآيند تقطير ناپيوسته را زمان بر كرده است.
۲- در تقطیر جز به جز به صورت ناپیوسته به نيروي انساني بيشتري نیاز است.
۳- به علت اینکه مواد موجود در تبخیرکننده برای مدت طولانی در معرض حرارت قرار دارند، امكان تجزيه، واكنش يا پليمريزاسيون خوراك افزايش مي يابد.
۴- در فرآيند تقطیر جز به جز ناپيوسته محصول مياني شامل ماده سبك و سنگين است. این محصول در زمان شروع عريان سازي ماده سنگين تر بدست مي آيد. این برش میانی مجدداً نياز به جداسازي دارد که سبب كاهش ظرفيت واقعي خواهد شد.
۵- اپراتوري تجهيزات تقطير ناپيوسته شامل تخليه ضايعات، خوراك دهي، كنترل محصولات، كنترل نسبت ريفلاكس و … است. انجام این مراحل زمان و توجه اپراتور خط را طلبيده و در فرآیند تقطیر وقفه زمانی ایجاد می کند.
۶- در سیستم تقطیر ناپیوسته نيروي عريان سازي نسبت به سیستم تقطیر پیوسته كمتر است. بنابراین ممكن است آخرين جزهاي فرار موجود در تبخير كننده، هيچ گاه به بالاي برج تقطیر جز به جز نرسند.
تاثیر کافی نبودن نیروی عریان سازی در تقطیر ناپیوسته بر محصول خروجی :
*این عیب در فرآيند توليد حلال هاي آلي نسبت به فرآيندهاي بازيافت محرزتر است. دليل اين موضوع شباهت شیمیایی و فیزیکی مواد موجود در خوراك توليد حلال هاي آلي است. براي مثال در توليد تولوئن، زايلن و بنزن(BTX production process) از ريفورميت، شباهت اجزايي كه بايد از يكديگر جدا شوند، زياد است. لذا در سيستم هاي تقطير ناپيوسته پس از جمع آوري دو محصول فرارتر، يعني بنزن و تولوئن، پس از تبخير شدن بخشي از زايلن، تبخيركننده خالي شده و بخارات زايلن درون برج كندانس مي شوند. با توجه به اينكه ترکیب درصد زايلن در اين مخلوط به طور معمول كمتر از ۵ درصد است، حتي ممكن است محصول زایلن از سر برج تقطیر حاصل نشود.
برعكس در سيستم هاي تقطير جز به جز پيوسته با توجه به اينكه خوراك بصورت فلش شده مخلوطي از بخارات و يا بصورت مايع وارد برج مي شود، محصولات سبك و سنگين از بالا و پايين برج همزمان بدست مي آيند. علاوه بر این تا زمان ادامه فرآيند تقطير، هیچ درصدی از محصولات ضايع نمي شود.
در بازيافت حلال هاي آلي احتمال شبیه بودن موادكمتر است. لذا در توليد حلال ها رفتار مواد بيشتر شبيه به رفتار ايده آل و در جداسازي توليدي رفتار مواد از رفتار ايده آل به دور است. در تبخیر کننده، فشار بخار موادي كه رفتار غير ايده آل دارند بيشتر از مقداری است كه در فرمول رائول پيش بيني مي شود. لذا عريان سازي در اين حالت راحت تر انجام مي گردد. بنابراین براي فرآیندهای توليد عموماً تقطیر پیوسته و براي فرايند هاي بازيافت تقطير ناپيوسته مناسب تر است. پس از بررسی قدرت جداسازي برج، مشخص شدن پيوسته يا ناپيوسته بودن عملکرد آن، تركيب خوراك و محصول، پارامتر مهم ديگري به نام آن نسبت ريفلاكس بررسی می شود.
نسبت ریفلاکس
نسبت ريفلاكس در واقع بخشی از تركيب سبك تر بالاي برج است كه بعد از كندانس شدن به بالاي برج باز مي گردد. با این کار از حركت مواد سنگين تر به بالاي برج تقطیر جز به جز جلوگيري و محصول بالاي برج خالص تر شود. دماي ريفلاكس و نرخ بازگشت آن نسبت به محصول، تعيين كننده ميزان جداسازي است. محاسبه ريفلاكس با فرمول هاي شناخته شده در برج هاي تقطیر جز به جز پيوسته امکان پذیر است. این در صورتي است كه نقطه خوراك دهي در برج تقطير پيوسته صحيح باشد.
خوراک دهی در برج های تقطیر :
در برج های تقطیر جز به جز در فواصل هر سيني مي توان خوراك برج را تزريق كرد. بنابراین این نکته حایز اهمیت است كه در طراحي برج محل هایی كه براي خوراك دهي مناسب به نظر می رسند، تعبیه شده باشند. بنایراین در صورت خوراك دهي اشتباه در زمان ارزيابي عملكرد، می توان سيني خوراك را بدون هزينه زياد تغيير داد.
در برج هاي آكنده نقطه خوراك دهي را در جايي كه پخش کننده مايع نصب شده باشد قرار می دهند. هم چنین در هر ۸ مرحله جداسازي كه جدا كننده پكينگ قرار مي گیرد، یک نقطه ی خوراک دهی در نظر می گیرند. لذا اشتباه در طراحي سيني خوراك تبعات بدتري نسبت به برج سيني دار خواهد داشت. نقطه بهينه تزريق خوراك به برج آنجايي است كه ترکیب درصد خوراک درحالتی که مایع است به ترکیب درصد مایع روی سینی نزدیک باشد. ترکیب درصد خوراک گازی باید به ترکیب درصد بخارات روی سینی نزدیک باشد. این امر موجب می شود تا تعادل سینی در اثر تزریق خوراک بر هم نخورد.
فراریت نسبی
فراريت نسبي يك معيار مقايسه فشار بخار دو تركيب در فاز مايع است. اين معيار يكي از مهمترين ضرايب در محاسبه ظرفيت و عملكرد سيستم هاي تقطير جز به جز است. به طور كلي فراریت نسبی نشان دهنده سختي يا آساني جداسازي دو تركيب با فراريت متفاوت با استفاده از سيستم تقطير جز به جز است. فراريت نسبي با تقسيم فراريت جز فرارتر به جز كمتر فرار بدست مي آيد.
بيشتر تركيبات هيدروكربني در جداسازي رفتار ايده آل از خود نشان مي دهند. بيشتر تحقيقات نيز بر روي جداسازي جز به جز همين تركيبات انجام شده است. اما در فرآيندهاي بازيافت حلال يا جداسازي مخلوط حلال هاي آلي از يكديگر، در فرآيندهای توليد حلال يا جداسازي حلال واكنش از محصولات و ضايعات رفتار ايده آل نيست. شکل روبرو نشان دهنده نمودار VLE جداسازي تركيبات ايده آل با فراريت نسبي ۱ تا ۱۰ است. به طور معمول فراریت نسبی از عدد ۱٫۵ به بالا براي جداسازي با برج تقطير قابل انجام است.
مثال؛ جداسازي استون از آب با استفاده از تقطير جز به جز
نمودار VLE جداسازي استون از آب در شكل روبرو نشان داده شده است. در صورت تبعيت از رفتار ايده آل بايد در تمام فرآيند جداسازي با فراريت نسبي ۵ بصورت ثابت جداسازي انجام گردد. اما در ابتداي فرآيند فراريت نسبي بسيار بالا و برابر ۵۰ يعني جداسازي بسيار خوب است. ولی در انتهاي فرايند فراريت نسبي به عدد ۱ كاهش يافته و جداسازي در تركيب درصد حدودي ۹۸٫۵% استون و ۱٫۵% آب متوقف مي شود. براي جداسازي آب باقي مانده در استون می توان از تكنولوژي استخراج، تراوش تبخيري و جذب استفاده نمود كه به طور كامل در بخش فرآيند هاي آبگيري از حلال هاي آلي توضيح داده شده است.
تقطیر تحت خلأ (Vacuum Distillation)
تقطير تحت فشار كاهش يافته(خلا) پيوسته يا ناپيوسته به سه دليل موجه انجام مي گردد؛
۱-راندمان بالاتر:
فراريت مواد در خلا بيشتر است. پس فراريت نسبي افزايش و جداسازي با راندمان بالاتري انجام مي شود.
در معادله كاكس (Cox equation) فراريت نسبي با دماي فرآيند رابطه عكس دارد. بالعکس فراریت با اختلاف نقطه جوش مواد در فشار اتمسفريك رابطه مستقيم دارد. بنابراین فراريت نسبي با كاهش فشار افزايش مي يابد. اگر مواد اختلاف نقطه جوش كمي در فشار اتمسفريك داشته باشند، با كاهش فشار تفاوت چنداني در فراريت نسبي و لذا جداسازي حاصل نخواهد شد. در نتيجه جداسازي موادي كه خصوصيات شيميايي و فيزيكي مشابهي دارند، با تقطير تحت خلا سازگار نيست.
مواد با كلاس شيميايي متفاوت، معمولاً تفاوت نقطه جوش زيادي دارند. در نتيجه با كاهش فشار، فراريت نسبي بيشتر افزايش مي يابد. به طوريكه در برخي موارد فراريت نسبي در فشار اتمسفريك كمتر از ۱ و لذا غير قابل جداسازي هستند. در خلا فراريت نسبي بيشتر از ۱٫۵ است و مواد با تقطير قابل جداسازي هستند. جدول روبرو نشان دهنده تغيير در فراريت نسبي در مقايسه با فشار بخار حلال هاي استري تحت خلا و اتمسفريك است.
۲- انرژي كمتر:
دماي فرآيند پايين تر و لذا هزينه انرژي كمتر است.
فرآيند تقطير عموماً بزرگترين مصرف كننده انرژي در كارخانه هاي توليد و بازيافت حلال هاي آلي ست. دماي جوش تركيباتي كه بايد توسط تقطير جدا شوند، تعيين كننده اين است كه چه انرژی بايد در تبخيركننده توسط بخار، روغن داغ، برق و … تأمين شود. كاهش فشار سيستم تقطير، نقطه جوش تركيبات را كاهش داده و دماي فرآيند را به نسبت كاهش فشار كم مي كند.
ميدانيم كه انتقال گرما با اختلاف دماي دو ماده در تماس با يكديگر رابطه مستقيم دارد. لذا با كاهش نقطه جوش تركيبات، اختلاف دماي سيال تأمين كننده گرما با خوراك زياد شده و شار گرما افزايش مي يابد.
۳-ایمنی بیشتر:
مواد حساس به دما در دماي پايينتري تحت فرآيند قرار گرفته و ريسك پليمر شدن، تجزيه شدن يا واكنش دادن با ناخالصي ها كمتر است.
همانطور كه در بخش جداسازي حلال هاي آلي از رنگ، رسوبات و …(رنگبري حلال هاي آلي) توضيح داده شده است، بسياري از واكنش هاي شيميايي انرژي اكتيواسيون در حدود ۲۰-۳۰ كيلوكالري بر مول دارند. در بازه ي ۱۰۰-۲۰۰ درجه سانتيگراد با هر ۱۰ درجه افزايش دما سرعت واكنش دو برابر مي شود. لذا در ۲۰ تا ۳۰ درجه سانتيگراد دماي كمتر حاشيه امني در حدود ۴۰۰ درصد حاصل مي گردد. در نتیجه با كاهش فشار فرآيند تا حدود خلاء نسبي ۵۰-۱۰۰ ميلي بار، مي توان در حلال هاي سنگين تا ۱۵۰ درجه سانتيگراد دماي جوش را پايين آورد. بنابراین از نظر ايمني بازه ي ۳۰۰۰ درصدي حاصل مي گردد.
براي مثال تقطیر اتمسفریک منومر استايرن در نقطه جوش آن (۱۴۵ درجه سانتيگراد) باعث پليمريزه شدن استايرن در تبخير كننده ها، برج تقطير، كندانسور و خطوط انتقال مواد و پمپ ها می شود. اگزوترم بودن واكنش پليمريزه شدن استايرن و افزايش حجم قابل توجه ممكن است موجب بسته شدن راه شيرهاي ايمني دفع فشار شود. بسته شدن شیرهای ایمن در نهایت منجر به انفجار می شود. لذا در تقطير استايرن از كاهش فشار فرآيند استفاده مي شود. به این ترتیب می توان در بازه دمايي ۳۰-۴۰ درجه به صورت ايمن استايرن را تقطير و خالص سازي نمود.
خدمات بازیافت استایرن در شرکت صنایع شیمیایی سبز پارسیان :
شركت صنايع شيميايي سبز پارسيان با بهره بري از تجهيزات پيشرفته جداسازي تحت خلاء و با تکیه بر دانش حاصل از تجارب فراوان بازيافت منومر استايرن، قادر به ارائه خدمات بازيافت منومر استايرن ضايعاتي است. این استایرن ضایعاتی می تواند به صورت مخلوط با حلال هاي ديگر، حاوی رنگ و یا منومر استايرن ژله شده با تركيب درصد كمتر از ۱۰ درصد پليمر باشد. این شرکت قادر به ارائه مشاوره در زمينه نگهداري و استفاده از اين مواد، مي باشد. در مورد منومر استايرن، خصوصيات شيميايي و فيزيكي آن، نحوه نگهداري و توليد اين ماده كليك كنيد.
سیستم تقطیر تحت فشار کاهش یافته موجود در مجموعه صنایع شیمیایی سبز پارسیان
تقطير جز به جز با بخار مستقيم (Steam fractional distillation)
همانطور كه در بخش جداسازي حلال هاي آلي از رنگ، رسوبات و …(رنگبري حلال هاي آلي) توضيح داده شده است، طيف وسيعي از حلال هاي آلي را مي توان با اين روش تبخير كرد. مزيت اين روش عدم وجود سطوح انتقال حرارت است. با این کار از گرفتگي و رسوب دهي روي سطوح پیشگیری خواهد شد. با توجه به اينكه حلال تحت دمايي پایین تر از ۱۰۰ درجه تبخير مي شود، احتمال تشكيل اگزوترم نيز به شدت كاهش مي يابد. به همين دليل تبخير با بخار مستقيم براي جداسازي تا ۱۰۰ درصد حلال موجود در ضايعات بخصوص حلال هايي كه نقطه جوش كمتر از ۷۰ درجه دارند، روش مناسبي است.
در اين روش ميزان بخار آب مصرفي جهت تبخير نمودن مقدار مشخصي حلال با فرمول فشار بخار مستقيم قابل محاسبه است. همچنين مي توان فرآيند تبخير با بخار مستقيم و تبخير تحت خلا را با يكديگر ادغام کرد. به این ترتیب می توان حلال هاي با نقطه جوش بسيار بالاتر را نيز به كمك بخار آب تبخير نمود. با وجود معايب بسيار اين روش، تقطير حلال هاي نامحلول در آب و دماي جوش بين ۵۰ تا ۲۰۰ درجه سانتيگراد قابل اجراست.
اين روش فراريت حلال هاي آلي را به اندازه كاهش فشار، افزايش مي دهد. بخار همانند گاز حامل خنثي، حلال را در دمايي پايین تر از نقطه جوش خود به جوش می آورد. هم چنین آن را به برج تقطير حمل مي کند. لذا بخار آبي با دماي ۸۵ درجه سانتيگراد، حلالي همچون تولوئن را در اين دما تبخير مي كند. از تجهيزات تبخير با بخار مستقيم آب مي توان به عنوان تبخيركننده در سيستم هاي تقطير ناپيوسته استفاده نمود. اما بدليل تغيير پيوسته تركيب بخار آب و بخار حلال، عملكرد برج تقطیر غير قابل پيشبيني خواهد بود.
تقطير آزئوتروپیک (Azeotropic Distillation)
تقطير آزئوتروپيك به طور معمول جهت رفع مشكل جداسازي دو تركيب با فراريت نسبي پایین يا دارای آزئوتروپ، انجام مي گردد. در تقطير آزئوتروپيك ماده اي كه با يكي از اجزا تشكيل آزئوتروپ مي دهد نبايد با ديگر اجزا تشكيل آزئوتروپ دهد. با توجه به بازیافت حلال بعد از فرآیند، بهتر است با حلالي كه جز كمتري در تركيب خوراك دارد، تشكيل آزئوتروپ دهد.
سختي و آساني جداسازي حلال واسطه اهميت ويژه اي دارد. در اولويت اول انتخاب حلال در فرآيند تقطير آزئوتروپيك است. دو تركيبي كه اهميت فراواني در اين نوع تقطير دارند، آب و متانول هستند. همواره آب باعث بيرون كشيدن حلال هاي قطبي از تركيبات هيدروكربني مي شود. زیرا در تقطير تركيبات هيدروكربني و كلركربني آب و هیدروکربن ها در یکدیگر نامحلول هستند. از جمله عواملی که باید در نظر گرفته شود این است که تركيب درصد آزئوتروپي متانول با حلال مورد نظر، قابليت دوفاز شدن با آب را دارد.
كليه تجهيزات تقطير شامل سه جزء هستند؛
۱- سيستم گرمايش براي تبخير كردن حلال و تأسيسات وابسته آن
۲- سيستم سرمايش كندانسور و تجهيزات وابسته براي تبديل كردن بخارات محصول به مايع و خنك كردن آن
۳- برج تقطیر
مقایسه ی تقطیر پیوسته و تقطیر نا پیوسته :
همانطور كه گفته شد سيستم تقطير به دو صورت پيوسته و ناپيوسته پياده سازي مي شود. در فرايند هاي كوچك و غير حجيم به طور معمول از فرآيند ناپيوسته استفاده مي شود. در صورتي كه عمليات به صورت ۲۴ ساعته و در ظرفیت بالا باشد، تكنولوژي تقطير پيوسته با صرفه تر است. تجهيزات مورد نياز براي فرآيند ناپيوسته و پيوسته تفاوت چنداني ندارند. اما در تقطیر پيوسته تجهيزات کنترلي و تأسيساتي متعددي استفاده مي شود. به دليل طبيعت اتوماتيك بودن اين نوع فرآيند بايد تجهیزات كاملاً مورد اطمینان باشند. همچنين از نظر نیاز به نيروي انساني، سيستم تقطير پيوسته نسبت به سیستم ناپیوسته نيروي انساني كمتر اما متخصص تری نياز دارد.
مراحل ساخت تجهیزات تقطیر در مقیاس صنعتی :
در وهله اول بررسي مواد خام استفاده شده در ساخت تجهيز اهميت ويژه اي دارد. با تحقيق در مورد مقاومت مواد فلزي مختلف در مقابل حلال هاي مذكور در ادبيات مربوطه مي توان به اطلاعات مفيدي دست يافت. اما تستهاي آزمايشگاهي مداوم و تكرار پذير خوراك و محصول روي فلزات مورد تماس نیز بسيار مهم است. براي اين منظور باید كوپن هاي فلزي (نوارهاي نازك فلزي) از گريدهاي مختلف تهيه و در آزمايشگاه تحت شرايط مشابه و حتی سخت تر از فرايند موردنظر تست شوند.
جوشهاي مورد نظر (آرگون، ۷۰۱۸، ۶۰۱۳ و…) نيز بايد روي كوپنهاي فلزي در زواياي مشابه تجهيزات انجام شود. همچنین در شرايط شبيه سازي آزمايشگاهي مورد بررسي قرار گيرند. حتي در صورت عدم تغيير جرم كوپن ها تحت شرايط فرآيند، بايد بررسي تستهاي خوردگي، چاله زني (pitting corrosion) و يا شكاف برداشتن (Cracking) سدر مجاورت جوش ها در آزمايشات مدنظر قرار گیرد. هرگونه خوردگي چاله زني، ترك برداشتن يا ترك برداشتن تحت تنش (stress cracking corrosion) موجب از كار افتادن تجهيزات می شود.
خوردگي هاي سطحي كه با از دست دادن وزن كوپن خود را نشان مي دهد، از طول عمر تجهيزات مي كاهند. قبل از طراحی مکانیکی، ديگر قسمت هاي تجهيزات همچون واشرها و لوله هاي انتقال مواد، سيل هاي پليمري و سيل هاي حركتي همچون پكينگ، بايد از نظر خوردگي تجهيزات مورد بررسي قرار گيرند. بعد از ساخت تجهيزات، كوپنها و نمونه هاي آنها نگهداري می شوند. به این ترتیب در مقابل مواد و محصولات متغيير هر پروژه تست می شوند.
در انتخاب منبع حرارت در برج های تقطیر جز به جز اولين موضوع مورد بررسي ايمني و پس از آن صرفه اقتصادي است. روغن داغ و بخار تحت فشار در متدهاي متداول نياز به هوا، منبع سوختي مثل گاز يا گازوئيل و مازوت دارد. همواره توسط مشعل مورد نياز تأمين مي شود. اين نوع تجهيزات همواره منبعي از آتش را براي انفجار و اشتعال در اختيار حلال قرار مي دهد. لذا از نظر فضاي توليد بايد محل جداگانه و بدور از تجهيزات و مخازن بازيافت يا توليد حلال در نظر گرفته شود. در صورت محدودیت فضا، مي توان از الكتريسيته بطور مستقیم در حلال يا غير مستقيم در آب يا روغن براي تأمين حرارت استفاده نمود.
استفاده از الكتريسيته با وجود هزينه بسيار بالا در مقايسه با گاز يا گازوئيل مي تواند بسیار خطرناك باشد. لذا سيستم هاي كنترل حرارت و جريان قابل اطمینانی براي كنترل عملكرد آن بايد فراهم گردد.
بخار تحت فشار
در صورتي كه دماي مورد نياز فرآيند كمتر از ۱۶۰ درجه سانتیگراد يعني در حد دماي بخار ۷ بار فشار باشد، بخار کاربرد های متفاوتی دارد. از کاربردهای آن افزايش دما در مبدل هاي انتقال حرارت و شست و شو مخازن و تجهيزات است. ايجاد خلا، تقطير با بخار مستقيم و … از دیگر کاربردها هستند. كاربرد اصلي بخار همان استفاده در مبدل های انتقال حرارت است.
لذا بخار كندانس شده نزديك محل توليد در مخزن يا چاه، قبل از بازگشت به ديگ بخار نگهداري مي شود. با توجه به دمای بالای مخزن، خطر انتقال برخي حلال هاي سنگين به داخل ديگ بخار و اشتعال وجود دارد. لذا در طراحي تجهيزات گرمايش با بخار، آب بندي تجهيزات و ايمني در طراحي اهميت ويژه اي دارد.
روشهاي استفاده از بخار برای تبخیر حلال :
۱- تزريق مستقيم بخار به حلال
۲- مبدل هاي پوسته و لوله
۳- تبخير كننده لايه نازك
۴- ريبويلر U
۵-كويل
۶-ژاكت حرارتي
ديگ بخار ساخته شده توسط شركت GESTRA Germany
انواع تبخیر کننده
تزریق مستقیم بخار به حلال
اين روش ساده ترين و مؤثرترين روش حرارت دهي به حلال از طريق بخارات است. در بخش جداسازي حلال هاي آلي از رنگ، رسوبات و … (رنگبري حلال هاي آلي) درباره ی آن توضيح داده شده است. بطور كل براي استفاده از اين روش، حلال مورد نظر بايد يكي از خصوصيات زير داشته باشد.
۱- حلال مورد نظر دماي جوش پايينتر از دماي جوش آب داشته باشد. (همچون استون و متانول)
۲- حلال مورد نظر در صورت تشكيل آزئوتروپ با آب پس از جداسازي در ترکیب درصد آزئوتروپ آب-حلال نیز قابل استفاده باشد. (فرضاً اتانول ۹۶% خلوص)
۳- حلال مورد نظر به میزان جزئی با آب حل شود. (كاملا غير قطبي باشد)
۴- مخلوطي كه قرار است به جوش آيد خود حاوي مقدار زيادي آب باشد .
مزیت روش تزريق بخار مستقيم از ميان برداشتن سطوح انتقال حرارت است. ملكولهاي آب حاوي انرژي زياد مستقيماً با حلال برخورد كرده و حلال را به جوش مي آورد. این روش تجهيزات ساده تري دارد و ظرفیت آن به راحتي قابل افزايش است. همچنين بدليل دماي ۱۰۰ درجه سانتيگراد در فشار اتمسفريك، احتمال خود انفجاري يا دكامپوز شدن رسوبات پروكسيدي نيز وجود ندارد. در تبخير حلال هایي با نقطه جوش كمتر از ۱۰۰ درجه سانتيگراد اين روش توجيه اقتصادي خوبي دارد.
مزایا و معایب :
با اين حال استفاده از اين روش نيز خطرات خاص خود را به همراه دارد. از نظر ايمني در طراحي واحد تبخيركننده بايد پيش بيني شوند. ابتدا بايد از واکنش ندادن افزودنی ها در دیگ بخار با مخلوط حلال ها اطمینان حاصل شود. سپس بايد تجهيزاتي براي جلوگيري از برگشتن حلال به داخل ديگ بخار تعبيه شود. از معايب اين روش نيز مصرف زياد آب و همچنين هزينه مورد نياز براي جداسازي حلال و آب است. بيشتر مواقع حلال بدست آمده بايد تحت فرايند آبگيري قرار گیرد. آب باقيمانده رهاسازي يا با تجهيزات گران قيمت مجدداً به جوش آمده و به عنوان بخار به تبخيركننده تزريق شود.
مبدل های پوسته و لوله
مبدل های پوسته و لوله مانند مبدل های صفحه ای از جمله متداول ترین مبدل ها در صنعت هستند. این مبدل های حرارتی طراحی ساده و بدنه ی محکمی دارند. هزینه ی خرید و نگهداری این مبدل ها نسبتا پایین است. از جمله مزیت مبدل های پوسته و لوله، سرعت بالای انتقال حرارت است. از جمله معایب مبدل های پوسته و لوله نیاز به فضای بیشتر در مقایسه با مبدل های صفحه ای با ظرفیت انتقال حرارت برابر است.
ساختار این مبدل ها به گونه ای است که مجموعه ای از لوله در محفظه ای استوانه ای شکل به نام پوسته قرارگرفته اند. دو عدد تیوب شیت در ابتدا و انتهای مبدل قرار دارد. یکی از تیوب شیت ها ثابت و دیگری به علت امکان انبساطات حرارتی آزاد است. عموما سیالی که فشار بالاتری دارد از داخل لوله ها عبور داده می شود. به طور مثال برای خنک کردن روغن داغ، آب از داخل لوله ها و روغن داغ از پوسته عبور داده می شود.
مخلوط حلال هاي آلي در بيشتر مواقع چه در توليد چه در بازيافت، حاوي رسوبات و مواد نافرار هستند. به مرور زمان رسوبات، بر سطوح انتقال حرارت مي چسبند و انتقال حرارت را مختل مي كنند. در اين حالت راندمان انتقال حرارت و بازده انتقال انرژی كاهش مي يابد. به طور معمول حلال در قسمت پوسته و بخار در قسمت لوله قرار مي گيرد. به این ترتیب احتمال كاهش سطح انتقال حرارت كمتر شده و تميز كردن سطوح راحتتر است. همچنين در اين حالت بايد حلال توسط پمپ به هم بخورد تا هم حرارت بصورت يكنواخت پخش شود و هم از رسوب كردن مواد سنگين روي سطوح انتقال حرارت كاسته شود.
پروژه ساخت تجهیزات بازیافت ضایعات داروسازی
تبخیرکننده لایه نازک
اين نوع مبدلها براي فرآيندهاي پيوسته و ناپيوسته قابل استفاده اند. آن ها بهترين نوع تجهيزات براي تبخير كردن حلال هاي حاوي مقادیر زياد ناخالصي نافرار با ويسكوزيته بالا هستند. حلال ها با دماي جوش بالا يا مواد حساس به تجزيه شدن يا پليمريزياسيون نیز به وسیله ی این مبدل تبخیر می شوند. در مواقعي كه در ساخت تجهيزات گريد خاصي از فلز و گسكت مورد نیاز باشد، انتقال حرارت با راندمان بسيار بالاتر از مبدل هاي صفحه اي يا پوسته و لوله انجام می شود. علاوه بر این حجم كمتري اشغال كرده، ميزان مصرف فلز كمتري داشته و جوشكاري كمتري نيز روي آن انجام مي شود. بنابراین تبخیرکننده ی لایه نازک قيمت رقابتی پيدا مي كند.
مزيت ايمني اين تكنولوژي عدم تماس طولاني مدت حلال با سطح انتقال حرارت قبل از تبخير شدن است. همچنين حجم حلال داغ در حلال تبخير كه از نظر تشكیل واكنش هاي گرماده انفجاري و اشتعال از هر تكنولوژي ديگري ايمن تر است.
تیغه های پاک کننده سطح داخلی تبخیرکننده لایه نازک در مقیاس پایلوت
(Teflon Wiper Blade)
ریبویلر U
ریبویلرها تجهیزاتی هستند که عموما به همراه ستون تقطیر جز به جز نصب می شوند. هدف از نصب ریبویلرها تبدیل مایعات خروجی از سینی پایینی ستون تقطیر جز به جز به بخار است. عموما بخارات گرمای مورد نیاز برای تبخیر میعانات داخل برج تقطیر جز به جز را تامین می کنند. این بخارات سرانجام برای کمک به جداسازی حلال به داخل برج برگشت داده می شوند. ریبویلرها نوعی مبدل حرارتی هستند. ریبویلر کتل تایپ یکی از رایج ترین تبخیر کننده ها در صنعت می باشد.
درون تبخیر کننده های نوع کتل دسته ای از لوله ها قرار دارند. این لوله ها به وسیله ی یک صفحه در کنار یکدیگر قرار گرفته اند. ساختار لوله ها می تواند به شکل عدد U و یا صاف و مستقیم باشد. لوله های U شکل می توانند از انبساط حرارتی طولی در سایر بخش ها جلوگیری کنند. تمیز کردن لوله های مستقیم آسان تر بوده و به همین دلیل متداول تر هستند. در مدت زمان انجام فرآیند لوله ها باید در مقدار مشخصی از مایع غوطه ور باشند. به همین منظور سطح مایع دائما کنترل می شود. معمولا بخار داغ از داخل لوله ها عبور داده شده و مایع خروجی از برج تقطیر در پوسته قرار دارد. بخار داغ با انتقال گرمای خود به مایع داخل پوسته، به مایع تبدیل می شود. به این ترتیب میعانات پایین برج با دریافت گرما تبخیر می شوند.
اين نوع تبخيركننده بسيار در معرض كور شدن سطوح انتقال حرارت توسط رسوبات است. در صورتي كه در طراحي تجهيزات راه ديگري وجود نداشته باشد قابل استفاده است. اين نوع تبخيركننده فضاي بسيار كمي اشغال مي كند و نياز به پمپ ندارد. در برج های تقطیر جز به جز کلاسیک تمام بخار مورد نیاز برای جداسازی به وسیله ی این تبخیر کننده ها تامین می شود.
ریبویلر ساخته شده در پروژه مربوط به بازیافت حلال ضایعاتی داروسازی
کویل حرارتی
كويل هاي حرارتي به طور معمول مارپيچي از يك لوله كه بصورت محيطي در مخزن تبخيرکننده قرار مي گيرد، هستند. کویل حرارتی بخار را از بالاي مخزن گرفته و در انتها بصورت آب داغ خارج و حرارت را به مايع داخل مخزن انتقال مي دهد.
كويل هم همانند لوله U در صورتي كه ضايعات هر بچ تقطير كم باشد با دو مشكل اساسي روبرو مي شود. اول اينكه با كاهش سطح مايع و در انتهاي فرايند، مقدار زيادي از كويل خارج از مايع قرار گرفته و سطح انتقال حرارت كاهش مي يابد. دوم اينكه حلال از روي لوله كويل تبخير شده و باعث رسوب گذاري روي سطوح انتقال حرارت مي شود.
ژاکت حرارتی
ژاكت حرارتي در فرايندهاي ناپيوسته با حجم كوچك قابل استفاده است اما با افزايش حجم مخزن تبخيركننده سطح انتقال حرارت به تدريج كاهش مي يابد (مشابه مشكل كويل ها). همچنين در انتقال حرارت توسط ژاكت حرارتی نیز همانند كويل، در بچ آخر تقطير با كاهش حجم حلال و پايين آمدن سطح مايع سطح انتقال حرارت نيز كاهش مي يابد.
براي تميز كردن ژاكت حرارتي مخزن تبخير بايد كاملاً تخليه شده و شخصي به داخل مخزن رفته و سطوح را تميز كند اما كويل را مي توان همانند باندل از تبخيركننده خارج و با تجهيزات شست و شوي صنعتي تميز نمود.
روغن داغ
در صورت نياز به دماي بالاتر از ۱۸۰ درجه ساتيگراد استفاده از روغن داغ كه حداكثر دماي ۳۱۰ درجه سانتيگراد را تأمين مي نمايد توجيه پذير است. همچنين روغن داغ در مقايسه با بخار، فشار كمتري دارد. بنابراین همواره در حالت فشار مثبت است. بخار پس از توقف فرايند برای مدت اندكي خلاء در قسمت انتقال حرارت ايجاد مي كند و امكان نشتي مواد فرار آتشگير را به سيال انتقال حرارت ايجاد مي كند. بنابراین استفاده از روغن داغ در برخی از تبخیر کننده ها بهتر است.
با اين حال استفاده از روغن داغ چالش ايمني خاص خود را دارد. دماي بالاي روغن داغ و همچنين دشواري در كنترل جريان و گرماي انتقالي توسط روغن امكان تجمع حرارت در نقاط كور در برخي حلال هاي سنگين و كثيف را به وجود می آورد. به این ترتیب ريسك واكنش هاي اگزوترميك و يا رسيدن به نقطه خود اشتعالي حلال را زياد مي كند. از نظر طراحي مكانيكي، ثابت انتقال حرارت روغن داغ تقريباً نصف بخار ۱۰ بار فشار است. به علاوه در صورت نياز به استفاده از فلزات گران قيمت در سطوح انتقال حرارت، هزينه ي بالايي خواهد داشت. تجهيزات لازم براي استفاده از گرماي روغن مشابه بخار است.
دیگ روغن داغ ساخته شده توسط شرکت انصار
كندانسور يكي از مهمترين تجهيزات در يك واحد تقطير جز به جز حلال است. ايمني در طراحي کندانسور حرف اول را مي زند. در واحدهاي كوچك به طور معمول از آب شهري به عنوان سيال خنك كننده در كندانسور استفاده مي شود. چنانچه آب پس از گذر از كندانسور استفاده ديگري نداشته باشد، روش پر هزينه اي است. در واحدهاي تقطير جز به جز متوسط و بزرگتر به طور عمده از ۵ دسته آب به عنوان سيال خنك كننده استفاده مي شود.
ظرفيت كندانسورها به طور معمول وابسته به فاكتور هاي محيطي زيادي است. به طوريكه ممكن است ساعتي در روز را با ظرفيتی متفاوت از شب كار كند. ممکن است ظرفيت در زمستان مناسب و در تابستان مناسب نباشد. با اين حال كندانسور ها نيازي به كنترل مداوم ظرفيت ندارند. زیرا خاموش كردن سيستم هاي خنك كننده و يا كاهش عمدي ظرفيت آنها می تواند موجب هدر رفت مواد شود. دلیل آن امکان شروع اتفاقي فرايند يا افزايش خارج از كنترل بخارات است. در نتیجه هزينه هاي به وجود آمده بيشتر از هزينه ی روشن نگه داشتن سيستم خواهد بود. لذا در مواقع كاهش ظرفيت يا حتي توقف فرايند به طور معمول سيستم هاي خنك كننده روشن نگه داشته مي شوند. تا در صورت افزايش ظرفیت يا شروع ناگهاني فرآیند، سيستم هاي خنك كننده از فرايند عقب نمانند.
منابع تأمين سيال خنك كننده:
۱-هوا
اين سيال دماي بالاتري از انواع آب خنك كننده دارد. بدليل ثابت انتقال حرارت پايين، تجهيزات پيچيده تري براي انتقال حرارت مناسب با راندمان بالا مورد نیاز است. هوا در بسياري از مناطق حاوي مواد ناخواسته همچون آلودگي دوده، ريزگرد و يا حشرات است. این ذرات باعث بسته شدن فيلترهاي هوا شده و راندمان به شدت كاهش مي يابد. از طرف ديگر در هنگام قطع ناگهاني برق چنانچه فن هاي انتقال هوا از كار بیفتد، هواي ساكن در ميان پره هاي كندانسور تا يك چهارم ظرفيت خود كاهش ناگهاني خواهند داشت. نتیجه ی آن افزایش فشار و کاهش نرخ میعان در کندانسور است. همچنين با توجه به اينكه ثابت انتقال حرارت هوا پايينتر از آب است،
لوله هاي انتقال حلال(بخارات حلال-مایعات حلال) بسيار نازك و بلند ساخته مي شوند. هدف از آن بهینه شدن سطح انتقال حرارت است. اما در صورت گرفتگي تعدادی از لوله ها، بدليل خنك شدن زياد لوله ی گرفته در مقابل سایر لوله هاي داغ، اتصالات مكانيكي صدمات حرارتي خواهند دید. در مواردي افزايش فشار هوا باعث شكستن لوله هاي حاوي حلال مي شود. همچنين نشتي در اين نوع كندانسورها تا زمانی که نشتی به مقدار قابل توجهی نرسد قابل مشاهده نيست. علت آن مخلوط بودن خروجی این کندانسورها با حجم زیادی از هوا است.
چنانچه حلال هاي حاصل از تقطیر جز به جز دماي جوش بالا، گرمای نهان تبخیر کوچک و نقطه اشتعال پايين داشته باشند، استفاده از كندانسور هوا توجيه اقتصادي خوبي دارد. تجهيزات جانبي به غير از كندانسور و سيستم انتقال هوا وجود ندارد (همچون برج خنك كننده، خطوط انتقال آب، مخازن و استخر، شيرين كننده و سختي گير و …).
کاهش دمای هوا تا دمایی پایین تر از دمای حلال :
در مواقعي كه حلال بايد تا نقطه اي پايينتر از دماي معمول هوا خنك شود، از كندانسور ونت (vent condenser) استفاده مي شود. زیرا دماي بالاي هوا، باعث فرار كردن بخشي از بخارات حلال می شود. از جريان آب خنك كننده براي كندانس كردن حلال هاي سبك كه بصورت گاز از ونت خارج مي شوند، استفاده مي شود. مزيت ديگر اين سيال عدم رسوب گذاري بر روي سطوح انتقال حرارت است. در مواقعي كه دماي سيال بسيار داغ باشد، آب را به حدي داغ مي كند كه سختي خود را بر روي سطوح انتقال حرارت باقي مي گذارد. هوا در صورت فيلتر شدن هيچ رسوباتي باقي نمي گذارد.
۲-آب از منابع طبيعي
آبي كه از منابع طبيعي براي خنك سازي پمپاژ مي شود در بيشتر مواقع حاوي مقادیر زيادي ناخالصي هاي حل نشده است. ناخالصی هایی مانند برگ و چوب يا زباله هاي پلاستيكي به سرعت فيلترهاي كندانسور را بلاك می کنند. به این ترتیب راندمان کندانسور كاهش مي یابد. هزينه هاي پمپاژ و لوله كشي از نزديكترين محل منبع آب طبيعي و همچنين صدمات احتمالي محيط زيستي نيز بايد مد نظر قرار گيرد. در صورتي كه از آب دريا استفاده مي شود، سختي آب و ميزان نمكهاي حل شده كلردار نيز بايد بررسي شود. زيرا كه از اين نوع سيال فقط در لوله هاي كندانسور پوسته و لوله مي توان استفاده نمود. در نواحي ساكنِ پوسته، آب نمك دار موجب خوردگي مي شود. بسياري از واحدهاي پتروشيميايي و پالايشگاهي در نزديكي سواحل دریاها احداث مي شوند تا از منابع نامحدود آب استفاده نمايند.
پتروشيمي بندر امام در مجاورت سواحل خليج فارس
برج خنك كننده Cooling tower
برج هاي خنك كننده استفاده از آب به عنوان سیال خنك كننده در يك چرخه بسته را امكان پذير مي كند. مهمترين قسمت برج خنك كننده فن و موتور آن است. نگهداري از آن ها بخصوص در فرايندهايي كه موتور ضد جرقه نیاز است، پيچيدگي خاص خود را دارد. موتور برج خنك كننده در فرايند هايي كه امكان نشتي حلال به آب كندانسور وجود دارد، حتما بايد ضد جرقه باشد. آبي كه در سيستم برج خنك كننده استفاده مي شود نبايد بيش از ppm6000 نمك حل شده در خود داشته باشد. زیرا در برج خنك كننده آب به طور مداوم تبخير شده و به غلظت نمك مي افزايد. آبي در جهت جبران كاهش آب در جريان، به سيستم برج خنك كننده تزريق مي شود. این آب منبع تنظيم pH، سختي و همچنين ميزان نمك حل شده است.
با افزايش بيش از حد مجاز غلظت نمک، امكان تخريب پكينگ هاي داخل برج خنك كننده، لوله هاي انتقال آب و سيستم پمپاژ مهیا می شود. همچنين امكان رسوب گذاري بر روي لوله هاي كندانسور و كاهش ميزان انتقال حرارت وجود خواهد داشت. در دماهاي بالاتر از ۶۰ درجه سانتيگراد آب سختي موقت خود را بر كليه تجهيزاتي كه با آن در تماس است، باقي مي گذارد. لذا سختي آب بايد همواره تحت كنترل باشد. بخصوص در فرايند هايي كه حلال هاي با نقطه جوش بالا در حال تقطيرند. زیرا در این فرآیندها دمای آب خنك كننده به راحتي به ۶۰ درجه مي رسد.
انواع مختلف برج های خنک کننده در صنعت
آب تصفیه شده
آب تصفيه شده در واقع شبيه ترين آب به آب مقطر است. سختي موقت این آب گرفته شده و حاوي ميزان كمتر از ppm 100 نمك معدني است. لذا تبخير شدن آن روي سطوح انتقال حرارت موجب رسوب گذاري نمي شود. در اين روش آب در تماس با لوله هاي كندانسور، بصورت بخار با فشار پايين در آمده و در اتمسفر رها مي شود. اين روش بخصوص در صورت دسترسي به ميزان زيادي آب تصفيه شده با هزينه پايين صرفه ی اقتصادی دارد. همچنین براي كندانس كردن حلالهاي با نقطه جوش بالاتر از ۱۵۰ درجه سانتيگراد توجيه پذير است.
دليل راندمان بالاي اين روش انرژي زياد نهفته در تغيير فاز آب به بخار است. در زمان تبخير از روي سطوح انتقال حرارت مقدار قابل توجهي گرما از حلال موجود در سمت ديگر لوله جذب كرده و حلال را كندانس مي كند. در اين روش به طور معمول يك خنك كننده در مرحله بعد افزوده می شود. خنک کننده حلال كندانس شده را به دماي ايمن براي ذخيره سازي می رساند. در فرايند هايي كه حلال مايع با دماي بالا براي مراحل بعدي فرآيند نياز است، اين روش بسیار مناسب است. از جمله ی این فرآیندها می توان به واكنش اختلاط، شست و شو يا ورود به برج تقطير اشاره کرد.
مراحل تصفیه ی آب در سیستم تبادل یونی
آب سرد Chilled water
اکثر روش هاي كندانس كردن حلال در فرآيند تقطير جز به جز پيوسته و ناپيوسته مشترکاً قابل انجام است. ولی روش هاي استفاده از آب سرد فقط در تقطیر جز به جز ناپيوسته قابل انجام است. مزيت آب سرد قابليت كندانس كردن حلال هاي بسيار سبك است. به طور معمول آب سرد در كندانسوري جريان مي يابد كه روي هواگير (Vent) كندانسور اصلي سوار شده است. هدف از آن جلوگيري از فرار حلال هاي سبك به اتمسفر يا خلا مي باشد.
اساس جداسازي در تقطیر جز به جز بر پايه انتقال جرم است. در برج تقطیر جز به جز، جریان بخارات از پایین برج وارد شده و به سمت بالا حرکت می کند. جریان مایعی از اجزای سبک کندانس شده از بالای برج وارد می شوند. انتقال جرم بر پایه ی اختلاف غلظت میان اجزای این دو جریان انجام می شود. وظيفه برج تقطير جز به جز فراهم آوردن بستري مناسب براي اين انتقال است. براي اين منظور از پکینگ در برج های آکنده و يا از سيني هاي تقطير استفاده مي شود. سینی های تقطیر جز به جز امكان حباب زدن بخار در مايع روي سيني را فراهم مي آورند. در برج هاي آكنده با پخش كردن مايع با لايه نازك روي سطوح پكينگ، سطح انتقال جرم افزايش مي يابد.
هر دو نوع برج آكنده (پكينگ) و برج تقطیر جز به جز سيني دار معايب و مزاياي خاص خود را دارند. در فرآيند هاي تقطیر جز به جز با خوراک ثابت، با در نظر گرفتن اصول کلی برج مناسب را تعیین می کنند. در كارخانه هاي بازيافت يا در كارخانه هاي توليدي خوراك برج تقطير جز به جز متغيير است. بررسي اينكه كدام برج جداسازي و راندمان بهتري دارد بايد قبل از طراحي ساختاري، آزمايش شده و مشخص شود. معيارهايي كه بايد در طراحي برج تقطير جز به جز مد نظر قرار گيرد به ترتيب ذيل است؛
قطر برج تقطیر
عموما برج هاي تقطیر جز به جز سيني دار بصورت لوله اي كه سيني ها و ديگر اجزاء داخلي برج با ورود فرد جوشكار به داخل لوله ساخته مي شود. قطر برج های تقطیر جز به جز سینی دار بطور معمول مينيمم ۷۵ سانتيمتر در نظر گرفته مي شود. به دلیل قطر زياد برجهاي سيني دار، در مقياسهاي كوچك و متوسط بيشتر با برجهاي آكنده تقطیر انجام مي شود. در نصب برج های آکنه نيازي به ورود فرد به داخل برج نيست. در موارد خاص که در مقياس كوچك برج سینی دار نیاز باشد، امكان ساخت برج تقطیر جز به جز سيني دار وجود دارد. این برج های تقطیر با قطر كوچكتر يا با كاهش ظرفيت سيني در قطر بهينه ساخته می شوند.
افت فشار
در سيستم هاي تقطير جز به جز بيشترين افت فشار توسط اجزا برج تقطیر از جمله پكينگ و سيني ها ايجاد مي شود. میزان افت فشار وابسته به جنس مواد، میزان خوراک، رفلاکس، فشار مطلق فرآیند و بویل آپ است. بنابراین میزان افت فشار درون برج تقطیر جز به جز متغیر است. به طور كلي هر سيني ۳ تا ۵ ميلي متر جيوه و پكينگ بين ۰٫۵ تا ۳ ميليمتر جيوه افت فشار ايجاد مي كند. مثلا در يك برج تقطير جز به جز با ۲۰ سيني مي توان انتظار ۱۰ تا ۱۰۰ ميلي متر جيوه افت فشار را داشت.
فولينگ يا رسوب گذاري درون برج
درون برج تقطیر جز به جز مواد در فاز بخار و مایع در تماس هستند. سطوح فعال تماس مواد روی پکینگ ها و سینی ها متلاطم است. لذا رسوبگذاري پليمر، نمكهاي معدني و… در اين نقاط اتفاق نمي افتد. اما در قسمتهاي سرريز سيني ها كه جريان ملايم است، احتمال رسوب گذاري وجود دارد. براي تميز كردن سيني ها و پكينگ ها بايد Hand hole يا Manhole مناسب در بدنه برج تقطیر جز به جز تعبيه شده باشد. به این ترتیب می توان با داخل شدن به برج تقطیر جز به جز قسمتهاي آلوده شده را تميز نمود. همچنين تعبيه سيستم هاي شست و شوي خودكار CIP با حلال فشار قوي در برج امكان پذير است.
در برجهاي آكنده در صورت گرفتگي پكينگ، قابلیت تميز كردن از بيرون برج تقطیر جز به جز وجود ندارد. لذا بايد قبل از کامل بسته شدن پکینگ، فرآيند شست و شو انجام گردد. با اين حال در بعضي نقاط كور ممكن است حلال نتواند رسوبات را تميز كند. و در موارد وخيم ممكن است پكينگ هاي كثيف شده حتي قابل خارج كردن از برج هم نباشند. در اين حالت پكينگ به داخل برج تقطیر جز به جز می چسبد. جدا كردن آن با روشهاي بخار دهي تحت فشار، برشي عرضي، تضعيف و مكش جرثقيل يا ويكيوم بايد انجام میگردد. معمولا پكينگ خارج شده از برج تقطیر جز به جز قابلیت استفاده مجدد نخواهد داشت.
بنابراین استفاده از برج سيني دار در مواردي كه خوراك رسوبات زيادي دارد، ارجح است. اما بهترين روش براي حذف مشكل رسوب گذاري در برج تقطير جز به جز، تبخير كردن خوراك قبل از ورود به برج است. در واقع خوراك را در فاز گاز به برج تقطیر جز به جز تزريق مي كند.
باندل تیوب کثیف شده در کارخانه
تشکیل فوم
در برجهاي تقطیر سيني دار فرآيند جداسازی با حباب زدن بخار در مايع روي سيني انجام مي پذيرد. امكان ايجاد فوم پايدار در برج تقطیر جز به جز و كاهش راندمان يا متوقف شدن فرآيند وجود دارد. موادي كه تمايل به تشكيل فوم دارند ترجیحاً بايد با برج هاي آكنده، تقطير جز به جز شوند. در برجهاي تقطیر جز به جز سيني دار فاصله بين سيني ها ۳۰ تا ۶۰ سانتيمتر است. بنابراین لازم است ارتفاع فوم قبل از طراحي اندازه گيري شود. لازم است از مواد آنتی فوم برای کنترل ارتفاع فوم استفاده شود. زیرا ممکن است در مواردی ارتفاع فوم بیشتر از فاصله ی میان دوسینی بشود.
اندازه گيري ارتفاع فوم در مقياس آزمايشگاهي امکان پذیر است. ارتفاع فوم تابعي از قطر برج تقطیر جز به جز نيست. لذا مي توان برج آزمايشگاهي سيني دار با قطر كم را معيار اندازه گيري ارتفاع فوم قرار داد. بنابراین میتوان در محاسبات از ابعاد برج تقطیر آزمایشگاهی استفاده نمود.
جريان جانبی (side stream)
معمولا نياز است يك جريان مایع يا بخار جانبی از برج تقطیر جز به جز پیوسته یا ناپیوسته گرفته شود. چنانچه برج از قبل براي فرآيند خاصي طراحي شده باشد، اين عمل بسيار ساده است. اما در مواقعی که خوراک ورودی به برج متغیر است، گرفتن جریان جانبی از برج نیاز به تمهیدات خاصی دارد. برج تقطیر جز به جز در شرکت های بازیافت یا چندکاره از این دسته است.
به طور كلي در برج هاي آكنده امكان گرفتن جريان جانبی در فاز بخار نيست. جريان جانبی فاز مايع نيز فقط در قسمتهايي كه پخش كننده مايع (Liquid distributor) در برج قرار دارد، امكان پذير است. لذا در برج آكنده در هر ۴ تا ۶ متر مي توان جريان كناري مايع گرفت. در برجهاي سيني دار مي توان از هر سيني جريان جانبی مايع گرفت. و تقريباً در هر نقطه از برج تقطیر جز به جز جريان جانبی بخار دريافت نمود. برتري اين نوع برج تقطیر جز به جز در فرآيند هايي كه نياز به جريان جانبی دارند، واضح است.
نقطه خوراك دهي به برج (سيني خوراك) Feed tray
۱- خوراك مايع؛
خوراك مايع را می توان از محل پايين ريز هر سيني به برج تزريق كرد. لذا محل قرارگيري ورودی خوراك در طراحي ها الزاماً لحاظ نمي گردد. پس از نصب برج تقطیر جز به جز مي توان محل ورود خوراك مايع را تعیین نمود. محل ورود خوراک بر اساس قرارگيري پمپاژ مخازن و استراكچر قرارگيري برج تعيين می شود. در بسياري مواقع نياز است كه خوراك به دماي نسبتاً بالا برسد. دماي بالاي خوراك مايع ميتواند موجب رسوب دادن نمكهاي معدني در اثر تبخير آب درون حلال شود. همچنین می تواند موجب رسوب سختي آب، روي ورودي خوراك مايع شود. این رسوبات موجب گرفتگي ورودی برج تقطیر جز به جز میشوند.
در برجهاي آكنده مي توان خوراك مايع را از هر پخش كننده مايع در طول برج (تقريباً هر ۵ متر در برج) پمپاژ نمود. پخش كننده ها معمولاً از صفحات سيني مانند با سوراخ هاي ريز ساخته شده اند. وجود مواد غير محلول مانند زنگ آهن، خاك، نمك يا پليمر موجب گرفتگي پخش کننده ها مي شود. خوراك مايع بايد قبل از ورود به برج تقطیر جز به جز فيلتر شده تا عاري از مواد مذكور باشد. در كل خوراك مايع قابليت انتقال مواد رسوب دهنده را به داخل برج تقطیر جز به جز دارد. مي تواند موجب كاهش راندمان يا توقف فرايند شود. همچنین می تواند به برج تقطیر جز به جز صدمات جدي وارد مي كند.
۲- خوراك بصورت بخار:
مي توانيد در زير مجموعه جداسازي حلال هاي آلي از مواد نافرار در این مورد به تفصيل مطالعه نماييد. تبخير كردن خوراك بهترين روش براي جلوگيري از ورود رسوبات به برج تقطیر جز به جز است. با اين حال خوراك در فاز بخار نياز به خط لوله خوراك بزرگتر و قوي تر دارد. همچنين نیاز است فواصل بين سيني ها بيشتر باشد. لذا انعطاف طراحي خوراك دهي به برج تقطیر جز به جز در فاز بخار كمتر از مايع است.
حجم مايع پايين رونده در برج يا Turn down
در طراحي برج تقطير جز به جز ميزان مایعی كه در اثر ريفلاكس يا خوراك دهي بصورت مايع به پايين سر ريز مي كند را Turn down يا به اختصار T.D مي نامند. در برجهاي آكنده T.D فاكتور مهمي است. زيرا كافي نبودن يا پخش غير مناسب مایع موجب خيس نشدن پكينگ ها می شود. بنابراین راندمان جداسازي كاهش مي يابد. سطح انتقال جرم در برجهاي آكنده بايد توسط مايع پايين رونده خيس بخورد. به این ترتیب فرايند جداسازي انجام میشود. اگر مايع كافي وجود نداشته باشد و یا پخش كننده درست عمل نكند جداسازی انجام نمیشود. خشک ماندن بخشی از پکینگ نیز از موانع عمل جداسازی است. در طراحی سینی برای برج های سینی دار زمان کافی برای تماس مایع و بخار باید لحاظ شود. سینی باید به گونه ای باشد که مایع با سرعت زياد به پايين برج نريزند.
خيس خوردن پكينگ Wetting
برجهاي تقطیر جز به جز سيني دار با تشكيل فوم دست و پنجه نرم مي كنند. برجهاي آكنده نیز با مشكل خيس نخوردن پكينگ روبرو هستند. در سايتهاي فرآيند ثابت، سطح پكینگ را مي توان با نرم كننده مخصوص يا با مقداري از محصول خيس نمود. اما در واحدهاي تقطير بازيافتي يا خوراك متغيير اين عمل هزينه بالايي جهت تهيه مواد نرم كننده دارد. حتی می تواند باعث ايجاد ناخالصي در محصول مي شود.
در تقطير جز به جز با برج آكنده از خيس خوردن پكينگ با موادی غير از تركيبات محصول جلوگیری شود. مثالا در برج تقطیر جز به جزئی كه بخشي از محصول آب است نباید روغن با پکینگ تماس داشته باشد. در واحدهايي كه حلال هاي مختلف تقطير مي شوند بايد قطبيت و امتزاج پذيري حلال ها با يكديگر بررسي شود. قبل از تقطير ترکیب حاوي آب، پكينگ بايد با يك چربي زداي قوي شسته شده و كاملاً خشك شود.
طول برج Column height
طول برج تقطير در طراحي و اجرای فرايند تقطير جز به جز بايد حداقل در نظر گرفته شود. دليل اين امر را مي توان صرفه جويي در هزينه ساخت تجهيزات و جلوگيري از افزايش پيچيدگي فرايند دانست. کاهش هزينه تأسيسات مانند لوله كشي هاي كندانسور، مبدلها و سيستم هاي پمپاژ ريفلاكس دیگر مزایای آن هستند. همه موارد فوق دليلی بر طراحي برج تقطیر جز به جز با حداقل طول ممکن است.
نصب یکی از بلندترین برج های پالایشگاه ستاره خلیج فارس