تقطیر

تقطیر

عمل تقطیر جدا سازی از طریق بخار کردن یک مخلوط مایع از مواد فرار مخلوط شونده به موادی تفکیک شده یا در بعضی مواقع به جداسازی دسته ای از مواد از یک مایع مخلوط میباشد . جداسازی نفت خام به بنزین و نفت سفید ، نفت گاز ،  نفت کوره و اسفالت و روغن ،....... نمونه ای از عمل تقطیر میباشد عمل تقطیر در مواردی استفاده می شود که موادی را که دارای نقطه جوش مختلف هستند جدا کند این عمل در مواردیکه  مواد بطور یکسان فرار بوده باشند یعنی نقطه جوش نزدیک بهم داشته باشند قابل استفاده نیست زیرا دراینصورت تمامی مواد داخل مایع می جوشند و بخار شده و در نتیجه فاز بخار و فاز مایع به مخلوط اولیه بسیار نزدیک میباشند . جداسازی مواد از طریق تقطیر با استفاده از اختلاف نقطه جوش مواد انجام میگیرد برای نمونه اگر مخلوط آب و الکل اتیلیک را حرارت دهیم و بخارات حاصل را از داخل آب سرد عبور داده تا خنک شود و به مایع تبدیل گردد می بینیم که مایعات حاصل از بخارات سرد شده از الکل غنی تر است و باقیمانده مایع اولیه آب بیشتری دارد این تفاوت بخاطر آن است که الکل نقطه جوش  بالاتری نسبت به آب دارد و در دمائی نزدیک به 80 درچه سانتیگراد می جوشد و بخار می شود و در نتیجه از مایع اولیه خارج میگردد بنابراین اگر مخلوط اولیه نصف آب و نصف الکل باشد در بخارات  نسبت الکل به آب حدود 60 به 40 و در باقیمانده مخلوط اولیه نسبت آب به الکل حدود 60 به 40 میباشد و اگر این عمل را تکرار کنیم یعین مایع بخارات بالائی را دوباره گرم کنیم و بخارات آنرا سرد کرده بمایع تبدیل  کنیم و آنرا دوباره گرم کرده بجوشانیم و این عمل را ادامه دهیم در نهایت به الکل خالص می رسیم و از طرف دیگر  اگر باقیمانده مایع اولیه را حرارت داده بجوشانیم بندریج به آب خالص نزدیک میشویم تا در نهایت به آب خالص می رسیم این عمل جداسازی که در مراحل مختلف انجام میگیرد عمل تقطیر میباشد که امروزه جهت پیاده کردن این روش در صنعت و در مقادیر زیاد و برای عمل پیوسته (Continuous Process)  بجای مراحل مختلفی که در بالا شرح داده شده از سینی هائیکه درون برج تقطیر قرار دارد استفاده می گردد و هر سینی به منزله یک مرحله جداسازی عمل می کند .

تقطیر نفت خام

اصول تقطیر نفت :

نفت خام مخلوطی از هیدروکربورهای مختلف است ، مواد متشکلة نفت خام هریک دارای نقطه جوش متفاوتی هستند . تفکیک هر یک از این هیدرو کربورها براساس نفطة جوش آنها  انجام می شود ، به عبارت دیگر هرچه نقطة جوش  برش نفتی کمتر باشد عمل جداسازی در درجة حرارت کمتری امکان پذیر خواهد بود ، نقطة جوش مواد در  نفت خام با سنگینی آنها افزایش می یابد .

اولین پالایشگاه نفت خام که بطور رسمی کار خود را شروع کرد در سال TiTusvil 1860 در تیتوسویل پنسیلوانیا در ایالت متحدة آمریکا با هزینة 15000 دلار بود گرچه مدارکی نیز یافت شده است که گویای پالایش نفت در روسیه در سال 1735 میلادی می باشد ، پالایشگاههای ابتدایی به صورتی روش محموله ای پالایش Batcb  شروع بکار کردند تا اینکه در سال 1860 میلادی ضرورت عملیاتی و اقتصادی روش تقطیر مداوم را متداول کرد در زیر انواع مختلف روشهای تقطیر و عوامل مختلف مؤثر در عمل تقطیر و تفکیک شرح داده می شود .

1ـ تقطیر ، تبخیر ناگهانی Flash distillation  

در این نوع تقطیر مخلوط مواد نفتی که قبلا" در مبدلهای حرارتی و یا کوره گرم شده اند بطور مداوم به ظرف تقطیر وارد می شوند و تحت شرایط ثابت مقداری از آنها به طور ناگهانی تبخیر می شوند ، بخارات حاصله بعد از میعان و مایع باقی مانده در پائین برج بعد از سرد شدن به صورت محصولات تقطیر جمع آوری می شوند در این روش خلوص محصولات چندان زیاد نیست .

2ـ تقطیر با مایع پس ریز Reftlux  

در این روش تقطیر قسمتی از بخارات حاصله در بالای  برج بعد از میعان به صورت  محصول خارج شده و قسمتی دیگر به داخل برج برگردانده می شود این مایع به پس ریز مرسوم است (Reflux) .

مایع پس ریز با بخارات در حال صعود در تماس قرار داده می شود تا انتقال ماده و انتقال  حرارت صورت گیرد برای اینکه تماس هر چه بیشتر مؤثر باشد از وسایل تماس مثل (tray) و یا پرکن (PACking) استفاده می شود .

با استفاده از تماس بخار و مایع می توان محصولات مورد نیاز را با هر درجه خلوص تولید کرد مشروط براینکه به مقدار لازم و کافی مایع پس ریز و سینی در برج موجود باشد ، لازم به توضیح است که ازدیاد مقدار زیاد مایع پس ریز باعث افزایش مقدار سوخت خواهد شد چون تمام مایع پس ریز با ید دوباره بصورت بخار تبدیل شود امروزه به علت گرانی سوخت  سعی می شود برای بدست آوردن خلوص بالاتر این محصولات ، بجای ازدیاد مایع پس ریز از سینی های بیشتری در برجهای تقطیر استفاده گردد .

انواع پس ریز

در این قسمت انواع پس ریزها که در طراحی برجهای تقطیر مواد نفتی بکار گرفته می شود شرح داده می شوند: 

الف : پس  ریز سرد : Cold Reflux

این نوع پس ریز با درجه حرارتی کمتر از دمای بالای برج به داخل برج تقطیر برگردانده می شود مقدار گرمای گرفته شده بوسیلة هر پوند مایع پس ریز برای  برابر با مجموع گرمایی نهان و گرمای مخصوص مورد نیاز برای رساندن دمای مایع به دمای بالای برج است . 

ب : پس ریز گرم HoT Reflux

پس ریز گرم با درجه حرارتی برای با دمای بخارات خروجی بالای برج مورد استفاده قرار می گیرد .

ج : پس ریز داخلی Internal Reflux 

مجموع تمام مایع پس ریز داخل برج که از سینی های بالاتر تا پائین در حرکت است پس ریز داخلی گویند و این نوع پس ریز و پس ریز گرم فقط قادر به جذب گرمای نهان می باشند چون اصولا" طبق تعریف اختلاف دمایی بین بخارات و مایعات  در حالت تماس وجود ندارد .

د : پس ریز دورانی Circulation Reflux

این نوع پس ریز تبخیر نمی شود بلکه تنها گرمائی معادل با اختلاف دمای حاصل از دوران خود را از برج خارج می کند این مایع پس ریز با دمای زیاد از برج خارج شده و بعد از سرد شدن با دمایی کمتر به برج باز می گردد .

3ـ تقطیر محموله ای یا تکه ای Batch distillation   

این نوع روشها در قدیم بسیار متداول بوده ولی امروزه به علت نیاز نیروی انسانی و ضرورت ظرفیت زیاد این روش کمتر مورد توجه قرار می گیرد معذلک  در موارد زیر تقطیر محموله ای از نظر اقتصادی قابل توجه است .

الف : تولید در مقیاس کم ( کمتر از پانصد هزار تن در سال )

ب : ضرورت تغییرات زیاد در شرایط خوراک و محصولات مورد نیاز

ج : استفادة نامنظم  از دستگاه

4ـ تقطیر مداوم  Continuous distillation  

امروزه به علت اقتصادی بودن تقطیر مداوم در تمامی عملیات پالایش  نفت از این روش استفاده می شود در تقطیر مداوم برای یک نوع خوراک مشخص و برشهای تعیین شده ، شرایط عملیاتی  ثابت بکار گرفته می شود . بعلت ثابت بودن شرایط عملیاتی در مقایسه با تقطیر محموله ای به مراقبت و نیروی انسانی کمتری نیاز است .

برجهای سینی دار

برجهای سینی دار از استوانه هایی که در داخل آنها مقداری سینی افقی تعبیه شده ، تشکیل شده است وجود سینی ها به منظور ایجاد تماس بیشتربین فازهای مایع گازی  می باشد که بصورت منقطع حاصل می گردد .

انواع سینی ها :

الف : سینی با کلاهک  Bubble cup Tray  

بیش از یک قرن است که صنایع شیمیای ، با این گونه سینی آشنایی دارد به لحاظ بازده نسبتا" زیادی که از این سینی ها حاصل می شود استفاده از آنها در گذشته بسیار رایج بوده است و نحوة کار آنها بدین صورت است که گاز یا بخار از طریق مجراهای  روی سینی ( مجراهای بالابرندة بخار ) دارد کلاهکی می شود که در بالای این مجرا قرار گرفته است ، در اطراف این کلاهک شکافهایی تعبیه شده است که گاز پس از خروج از مجراهای بالابرنده از درون آن عبور کرده و به صورت حبابهایی وارد فاز مایع می گردد .

امروز به دلایل زیر کاربرد این نوع سینی کاهش یافته است .

1ـ قیمت زیاد ( حدود سه برابر سینی های مشبک )

2ـ سرعت کثیف شدن و تجمع ذرات جامه روی آنها

3ـ افت فشار زیاد به علت مسیر پیچیدة بخار

4ـ گرادیان زیاد مایع که طراحی برجهای بزرگ را محدود می کند

با وجود اشکالات فوق در موارد زیر از این نوع سینی استفاده می شود :

الف : در برجهایی که سرعت مایع کم باشد .

ب : در برجهایی که نسبت تغییر ظرفیت ( عبارتند از نسبت حداکثر به حداقل جریان گاز و مایع در برج ) مقدار مورد نظر باشد .

ب : سینی مشبک  Sieve Tray 

ساخت سینی مشبک تقریبا" شبیه به ساخت سینی های کلاهکی است با این تفاوت که در این سینی ها ، در مسافتی که در سینی های کلاهکی ، به کلاهک ها و مجراهای بالا برندة گاز  اختصاص داده شده ، به جای کلاهک ها و ضمائم آنها یک صفحه نازک فلزی با سوراخهای  ریز و گرد  قرار داده می شود .

حرکت سریع گاز از درون سوراخها به بالا مانع از بارش مایع به پائین  می گردد گاز پس از عبور از سوراخها به صورت حبابهای ریز در درون لایة مایع پراکنده شده و کف متلاطمی  را روی سینی بوجود می آورند با این سر کف ، فصل مشترک بین  دو فاز و در تبخیر انتقال جرم بین آنها افزایش می یابد .