آشنایی با انواع برج تقطیر

زمان مطالعه: ۸ دقیقه

برج تقطیر چیست؟

برج تقطیر وسیله ای است که برای جداسازی فیزیکی و تقطیر مخلوط های مایع مورد استفاده قرار می گیرد. اساس کار این برج بر اختلاف نقطه جوش اجزای مختلف مخلوط استوار است. به عبارت ساده تر، در برج تقطیر، مایعات بر اساس میزان فراریت خود به اجزای سازنده شان تفکیک می شوند.

برج تقطیر چگونه کار می کند؟

به طور ساده، در این برج، مایع مخلوط شده گرم می شود و اجزای با نقطه جوش پایین تر زودتر تبخیر شده و به سمت بالا حرکت می کنند. این بخارات در سینی ها یا پکینگ های داخل برج با مایع سردتری که از بالا به پایین جریان دارد، تماس پیدا می کنند. در این تماس، بخشی از بخارات میعان شده و به مایع تبدیل می شوند و اجزای سنگین تر نیز به مایع اضافه می شوند. این فرآیند در طول برج تکرار می شود تا در نهایت، اجزای خالص تر از بالا و پایین برج خارج شوند. در واقع، برج تقطیر یک ستون مرتفع است که در آن یک جریان متقابل بین بخار و مایع برقرار می گردد و به تدریج اجزای مخلوط از هم جدا می شوند.

اجزای اصلی برج تقطیر

برج تقطیر از اجزای مختلفی تشکیل شده است که هر کدام نقش مهمی در فرآیند تقطیر ایفا می کنند. اجزای اصلی برج تقطیر عبارتند از:

• بدنه برج (برج):

استوانه ای شکل است که محل انجام فرآیند تقطیر است. معمولاً از مواد مقاوم در برابر خوردگی مانند فولاد ضد زنگ ساخته می شود. ارتفاع و قطر برج بسته به نوع فرآیند و ظرفیت تولید متغیر است.

• سینی ها یا پکینگ ها:

سینی ها صفحات مشبکی یا کلاهکی هستند که در داخل برج قرار می گیرند و باعث افزایش سطح تماس بین بخار و مایع می شوند. انواع مختلفی از سینی ها مانند سینی های مشبک، کلاهکی، دریچه ای و … وجود دارد. پکینگ ها مواد پرکننده ای هستند که به جای سینی ها استفاده می شوند. این مواد می توانند به صورت حلقه ها، مارپیچ ها یا صفحات موج دار باشند. پکینگ ها باعث افزایش سطح تماس بین بخار و مایع و کاهش افت فشار می شوند.

• کندانسور:

دستگاهی است که بخارات خروجی از بالای برج را سرد کرده و به مایع تبدیل می کند. نوع کندانسور بسته به نوع سیال و شرایط عملیاتی انتخاب می شود.

• ریبویلر:

دستگاهی است که حرارت لازم برای تبخیر بخشی از مایع ورودی را تامین می کند. معمولاً از یک مبدل حرارتی استفاده می شود که در آن بخار یا سیال داغ، مایع ورودی را گرم می کند.

• ناودان ها و لوله ها:

برای جمع آوری مایع روی سینی ها و انتقال آن به سینی پایین تر استفاده می شوند. همچنین برای انتقال بخار و مایع بین اجزای مختلف برج استفاده می شوند.

• ورودی و خروجی:

محل ورود مخلوط مایع به برج و خروج محصولات نهایی از برج هستند.

• عایق بندی:

برای کاهش اتلاف حرارتی و حفظ دمای مناسب در داخل برج استفاده می شود.

• سیستم کنترل:

شامل ابزارهایی مانند دما سنج، فشارسنج، شیرهای کنترل و سیستم های کنترل اتوماتیک است که برای کنترل و نظارت بر فرآیند تقطیر استفاده می شوند.

کاربردهای برج تقطیر

برج تقطیر یکی از مهم ترین تجهیزات در صنایع مختلف، به ویژه در صنایع نفت و پتروشیمی است. این برج ها با بهره گیری از اختلاف نقطه جوش اجزای مختلف یک مخلوط، امکان جداسازی آن ها را فراهم می آورند.

کاربردهای برج تقطیر در صنعت نفت و پتروشیمی

برج تقطیر در صنعت نفت و پتروشیمی در موارد زیر کاربرد دارد:

• پالایش نفت خام: جداسازی نفت خام به محصولات مختلف مانند بنزین، گازوئیل، نفت سفید، نفت کوره و گاز مایع.
• تولید محصولات پتروشیمی: تولید مواد اولیه برای ساخت پلاستیک ها، الیاف مصنوعی، حلال ها و سایر محصولات شیمیایی.
• تصفیه گاز طبیعی: جداسازی هیدروکربن های مختلف موجود در گاز طبیعی.

 کاربردهای برج تقطیر در صنایع شیمیایی

برج تقطیر در صنایع شیمیایی در موارد زیر کاربرد دارد:

• تولید مواد شیمیایی خالص: جداسازی مواد شیمیایی مانند الکل ها، اسیدها، بازها و حلال ها.
• تولید پلیمرها: جداسازی مونومر ها و کاتالیست های مورد استفاده در تولید پلیمرها.
• تصفیه آب: جداسازی آب شیرین از آب شور.

کاربردهای برج تقطیر در صنایع غذایی

برج تقطیر در صنایع غذایی نیز در موارد زیر کاربرد دارد:

• تولید نوشیدنی های الکلی: جداسازی الکل از مخمر و سایر مواد.
• تصفیه روغن های خوراکی: جداسازی ناخالصی ها از روغن های خوراکی.
• تولید اسانس های طبیعی: استخراج اسانس های طبیعی از گیاهان.

کاربردهای برج تقطیر در صنایع دارویی

برج تقطیر در صنایع دارویی در موارد زیر کاربرد دارد:

• تولید داروها: جداسازی مواد موثره از گیاهان دارویی و سایر مواد اولیه.
• تصفیه حلال ها: تصفیه حلال های مورد استفاده در فرآیند تولید دارو.

سایر صنایع

به جز صنایع ذکر شده، برج تقطیر در صنایع زیر هم کاربرد دارد:

• صنعت رنگ و رزین: تولید رنگ ها و رزین های مختلف.
• صنعت کاغذ: تولید خمیر کاغذ.
• صنعت هسته ای: غنی سازی اورانیوم.

مشکلات رایج در برج های تقطیر و راه حل های آن ها

برج های تقطیر به عنوان یکی از تجهیزات اصلی در صنایع مختلف، نقش مهمی در جداسازی مخلوط های مایع دارند. با این حال، این برج ها نیز مانند هر تجهیزات دیگری، با چالش ها و مشکلاتی روبرو می شوند. مشکلات رایج در برج های تقطیر عبارتند از:

• افت فشار بیش از حد:

علل این مشکل عبارتند از مسدود شدن سینی ها یا پکینگ ها، خوردگی، رسوب گذاری، طراحی نادرست برج. راه حل آن هم تمیز کردن منظم سینی ها و پکینگ ها، استفاده از مواد مقاوم در برابر خوردگی و طراحی مجدد برج در صورت نیاز.

• پدیده ماندگی (Entrainment):

علل این مشکل، سرعت بالای گاز، طراحی نادرست سینی ها، بارگذاری بیش از حد برج و راه حل آن هم کاهش سرعت گاز، استفاده از سینی های با طراحی مناسب، کاهش بارگذاری برج می باشد.

• کف کردن (Foaming):

علل این مشکل، وجود مواد کف زا در خوراک، سرعت بالای گاز، بارگذاری بیش از حد برج است. راه حل آن هم استفاده از مواد ضد کف، کاهش سرعت گاز، کاهش بارگذاری برج می باشد.

• گرفتگی لوله ها و شیرآلات:

علل این مشکل، رسوب گذاری، خوردگی، رشد میکروارگانیسم ها بوده و راه حل آن نیز تمیز کردن منظم، استفاده از مواد ضد خوردگی و استفاده از مواد ضد میکروب می باشد.

• نوسانات دما و فشار:

علتل این مشکل، تغییرات در شرایط عملیاتی، مشکلات در سیستم کنترل و راه حل آن نیز بهبود سیستم کنترل و استفاده از تجهیزات اندازه گیری دقیق می باشد.

• کاهش راندمان جداسازی:

علل این مشکل، افت فشار زیاد، پدیده ماندگی، کف کردن، مسدود شدن سینی ها یا پکینگ ها بوده و راه حل آن نیز برطرف کردن مشکلات ذکر شده در بالا می باشد.

• خوردگی تجهیزات:

علل این مشکل، وجود مواد خورنده در خوراک، شرایط عملیاتی نامناسب بوده و راه حل آن نیز استفاده از مواد مقاوم در برابر خوردگی، تزریق مواد بازدارنده خوردگی می باشد.

مواد مورد استفاده در ساخت برج های تقطیر

انتخاب مواد مناسب برای ساخت برج های تقطیر از اهمیت بالایی برخوردار است، زیرا این مواد باید در برابر شرایط سخت عملیاتی مانند دماهای بالا، فشارهای زیاد، خوردگی و سایش مقاومت کنند. همچنین، مواد باید از نظر اقتصادی مقرون به صرفه بوده و بتوانند خواص فیزیکی و شیمیایی مورد نیاز را فراهم کنند. مواد رایج مورد استفاده در ساخت برج های تقطیر عبارتند از:

• فولادهای کربنی: این فولادها به دلیل قیمت مناسب و در دسترس بودن، به طور گسترده در ساخت برج های تقطیر استفاده می شوند. با این حال، در محیط های خورنده، عمر مفید آن ها کاهش می یابد.
• فولادهای ضد زنگ (استنلس استیل): این فولادها مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی دارند و در صنایع غذایی، دارویی و شیمیایی به طور گسترده استفاده می شوند. انواع مختلفی از فولادهای ضد زنگ با آلیاژهای متفاوت وجود دارد که هر کدام برای کاربرد خاصی مناسب هستند.
• آلیاژهای نیکل: این آلیاژها مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی در محیط های اسیدی و قلیایی دارند و در ساخت مبدل های حرارتی و سایر تجهیزات در تماس با سیالات خورنده استفاده می شوند.
• آلیاژهای مس: آلیاژهای مس مانند برنج و برنز به دلیل مقاومت در برابر خوردگی در آب دریا و بسیاری از محیط های شیمیایی، در ساخت برخی از اجزای برج های تقطیر استفاده می شوند.
• تفلون (PTFE): تفلون یک پلیمر با خواص غیر چسبنده و مقاومت شیمیایی بسیار بالا است که در ساخت برخی از قطعات برج های تقطیر مانند واشرها و نوارهای آب بندی استفاده می شود.
• سرامیک ها: سرامیک ها مقاومت بسیار بالایی در برابر دما و خوردگی دارند و در ساخت برخی از اجزای برج های تقطیر که در معرض دماهای بسیار بالا قرار دارند، استفاده می شوند.

انواع برج تقطیر

برج های تقطیر، قلب تپنده بسیاری از فرآیندهای صنعتی، به ویژه در صنایع نفت و پتروشیمی هستند. این برج ها با ایجاد شرایط مناسب برای تبخیر و میعان اجزای مختلف یک مخلوط، امکان جداسازی آن ها را بر اساس تفاوت در نقطه جوش فراهم می کنند. برج های تقطیر بر اساس عوامل مختلفی مانند نوع سینی یا پکینگ، تعداد سینی ها، شرایط عملیاتی و نوع سیالی که در آن ها تقطیر می شود، به انواع مختلفی تقسیم بندی می شوند. در ادامه به برخی از مهم ترین انواع برج های تقطیر می پردازیم.

برج های تقطیر سینی دار

در این نوع برج ها، سینی هایی به صورت افقی در داخل برج قرار می گیرند. این سینی ها دارای سوراخ ها، دریچه ها یا کلاهک هایی هستند که باعث ایجاد سطح تماس بین بخار و مایع شده و انتقال جرم بین دو فاز را تسهیل می کنند. مزایای این نوع برج ها، راندمان بالا در جداسازی اجزا و قابلیت کنترل دقیق شرایط عملیاتی است. معایب آن ها نیز افت فشار بالا، هزینه ساخت و نگهداری بالا و احتمال گرفتگی سوراخ ها و دریچه ها می باشد. انواع سینی های مورد استفاده در برج های تقطیر سینی دار عبارتند از:

• سینی های مشبک: ساده ترین نوع سینی ها بوده و دارای سوراخ های ریزی هستند.
• سینی های کلاهکی: دارای کلاهک هایی هستند که بر روی سوراخ ها قرار می گیرند و از ورود قطرات مایع به فاز بخار جلوگیری می کنند.
• سینی های دریچه ای: دارای دریچه هایی هستند که با توجه به بار بخار باز و بسته می شوند و باعث بهبود عملکرد سینی می شوند.

برج های تقطیر پرشده (پکینگ دار)

در این نوع برج ها، به جای سینی ها از مواد پرکننده ای مانند حلقه ها، مارپیچ ها یا صفحات موج دار استفاده می شود. این مواد پرکننده باعث افزایش سطح تماس بین بخار و مایع شده و راندمان جداسازی را بهبود می بخشند. مزایای آن ها عبارت است از افت فشار کم، ظرفیت بالای جریان و قابلیت استفاده در شرایط خورنده. معایب آن ها نیز احتمال افت فشار زیاد در اثر گرفتگی پکینگ ها و مشکل در تمیز کردن و تعویض پکینگ ها می باشد.

برج های تقطیر ترکیبی

این برج ها ترکیبی از سینی ها و پکینگ ها هستند. در قسمت پایین برج از سینی ها و در قسمت بالای برج از پکینگ ها استفاده می شود. این نوع برج ها مزایای هر دو نوع برج را داشته و در مواردی که جداسازی اجزای با نقطه جوش بسیار نزدیک مورد نظر باشد، استفاده می شوند.

 برج های تقطیر ویژه

برج های تقطیر خلا برای جداسازی مواد با نقطه جوش بالا در فشار کم استفاده می شوند. در برج های تقطیر بخار، بخار آب یا بخار یک ماده دیگر به عنوان عامل انتقال حرارت استفاده می شود. در برج های تقطیر استخراج نیز از یک حلال مناسب برای جداسازی اجزای مخلوط استفاده می شود.

عوامل موثر در انتخاب نوع برج تقطیر

در انتخاب نوع برج تقطیر، عوامل زیر موثر هستند:

• نوع سیال: خواص فیزیکی و شیمیایی سیال مانند ویسکوزیته، چگالی و خورندگی.
• تعداد اجزای مخلوط: هرچه تعداد اجزا بیشتر باشد، جداسازی پیچیده تر خواهد بود.
• تفاوت نقطه جوش اجزا: هرچه تفاوت نقطه جوش اجزا کمتر باشد، جداسازی دشوارتر خواهد بود.
• ظرفیت تولید: میزان تولید محصول مورد نظر.
• خلوص محصول: میزان خلوص مورد نیاز برای محصولات نهایی.
• هزینه ساخت و نگهداری: هزینه ساخت، نصب و نگهداری هر نوع برج متفاوت است.

عوامل دیگری مانند افت فشار، راندمان جداسازی، مصرف انرژی و محیط زیست نیز در انتخاب نوع برج تقطیر موثر هستند. انتخاب نوع مناسب برج تقطیر برای هر فرآیند خاص، نیازمند بررسی دقیق شرایط عملیاتی و انجام محاسبات مهندسی است.

نتیجه گیری

برج های تقطیر معمولاً برای جداسازی مخلوط های مایع بر اساس تفاوت در نقطه جوش استفاده می شوند. البته این برج ها می توانند در فرآیندهای کاهش TDS آب نیز نقش داشته باشند. به طور کلی، تقطیر یک روش موثر برای حذف مواد جامد محلول از آب است و در صنایع مختلفی از جمله تولید آب شیرین، تصفیه پساب و تولید آب دیونیزه مورد استفاده قرار می گیرد.