به طور کلی برج تقطیر شامل 4 قسمت اصلی می باشد :
.1برج (Tower)
.2سیستم جوشاننده (Reboiler)
.3سیستم چگالنده (Condensor)
.4تجهیزات جانبی شامل: انواع سیستمهای کنترل کننده، مبدلهای حرارتی میانی، پمپها و مخازن جمع آوری محصول.
بطور کلی برجهایی که در صنعت جهت انجام عمل تقطیر مورد استفاده قرار می گیرند، به دو دسته اساسی تقسیم می شوند:
– برجهای سینی دا ر Tray Towers)
– برجهای پرشده (Packed Towers)
طرز کار یک برج سینی دار
بطور کلی فرآیندی که در یک برج سینی دار اتفاق می افتد، عمل جداسازی مواداست. همانطور که ذکر شد فرآیند مذکور به طور مستقیم یا عیرمستقیم انجام میپذیرد.
در فرآیند تقطیر منبع حرارتی (Reboiler)، حرارت لازم را جهت انجام عملتقطیر و تفکیک مواد سازنده یک محلول تأمین میکند. بخار بالارونده از برج بامایعی که از بالای برج به سمت پایین حرکت می کند، بر روی سینی ها تماسمستقیم پیدا می کنند. این تماس باعث ازدیاد دمای مایع روی سینی شده ونهایتا باعث نزدیک شدن دمای مایع به دمای حباب می گردد. با رسیدن مایع بهدمای حباب به تدریج اولین ذرات بخار حاصل می شود که این بخارات غنی از مادهفرار (ماده ای که از نقطه جوش کمتری و یا فشار بالاتری برخوردار است) میباشد.از طرفی دیگر در فاز بخار موادی که از نقطه جوش کمتری برخوردار هستند،تحت عمل میعان قرار گرفته و بصورت فاز مایع به سمت پایین برج حرکت می کند. مهمترین عملکرد یک برج ایجاد سطح تماس مناسب بین فازهای بخار و مایع است. هر چه سطح تماس افزایش یابد عمل تفکیک با راندمان بالاتری صورت میگیرد. البته رژیم جریان مایع بر روی سینی نیز از جمله عوامل مهم بر عملکرد یک برجتفکیک می باشد.
عبارات و اصطلاحات مربوط به فر آیند تقطیر :
(Feed) خوراک
مخلوط ورودی به داخل برج که ممکن است مایع، گاز و یا مخلوطی از مایع و گازباشد، خوراک (Feed) نام دارد. معمولا محل خوراک در نقطه مشخصی از برج استکه از قبل تعیین می شود. در برجهای سینی دار محل ورودی خوراک را سینی خوراکیا (Feed Tray) می نامند. از جمله مشخصات مهم سینی خوراک این است که ازنقطه نظر درجه حرارت و ترکیب نسبی (کسر مولی) ، جزء مورد نظر با خوراکورودی مطابقت داشته باشد. البته محل خوراک ورودی به حالت فیزیکی خوراک نیزبستگی دارد. معمولا اگر خوراک بصورت مایع باشد، همراه با مایعی که از سینیبالایی سرازیر می شود به درون سینی خوراک وارد می گردد. اگر خوراک بصورتبخار باشد معمولا آن را از زیر سینی خوراک وارد می کنند و اگر خوراک بصورتمخلوطی از مایع و بخار باشد، بهتر است که ابتدا فاز مایع و بخار را از همجدا نموده و سپس به طریقی که گفته شد خوراک را وارد برج نمایند. ولی عملابه منظور صرفه جویی از هزینه های مربوط به تفکیک دو فاز بخار و مایع، عملجداسازی به ندرت صورت می گیرد.
(Overhead Product) محصول بالاسری
آنچه از بالی برج به عنوان خروجی از آن دریافت می شود محصول بالاسری نامیدهمی شود که معمولا غنی از جزئی که از نقطه جوش کمتری برخوردار است می باشد.
(Bottom Product) محصول ته مانده
ماده ای که از پایین برج خارج می شود ته مانده یا محصول انتهایی (Bottom) نام دارد و معمولا غنی از جزء یا اجزائ سنگین تر (که از نقطه جوش بالاتریبرخوردار می باشند) خواهد بود.
(Reflux Ratio) نسبت برگشت یا پس ریز
نسبت مقدار مایع برگشتی به برج بر حسب مول یا وزن به مایع یا بخاری که بهعنوان محصول از سیستم خارج می شود را نسبت برگشتی می گویند و آن را با حرف R نشان می دهند.
نسبت برگشتی و اثرات آن بر شرایط کارکرد برج
با افزایش نسبت مایع برگشتی تعداد سینی های مورد نیاز جهت تفکیک (طول برج) کاهش می یابد، اما در مقابل آن بار حرارتی کندانسور و جوش آور و مقادیربخار و مایع در طول برج افزایش می یابد. در این صورت نه تنها لازم است سطوحگرمایی مورد نیاز به آنها اضافه شود، بلکه به دلیل افزایش میزلن جریانمایع و بخار سطح مقطع برج نیز افزایش می یابد.
هنگامی که مقدار R زیاد باشد تعداد مراحل و طول برج به کمترین مقدار خود میرسد و تمام محصول بالاسری به عنوان مایع برگشتی وارد برج می شود و اینحالت را برگشت کامل یا (Total Reflux) می نامند.
در شرایطی که R در کمترین مقدار خود باشد طول برج و تعداد مراحل در بیشترینمقدار خود خواهد بود و عمل تفکیک به شکل کاملی انجام نخواهد شد. مقدارعملی R معمولا بین حالت برگشت کامل و حداقل میزان R است. در بیشتر مواردمقدار مایع برگشتی بر روی درجه حرارت برج نیز تأثیر می گذارد. معمولا در یکبرج تقطیر دمای انتهای آن به مراتب بیشتر از دمای پایین آن است و ایناختلاف دما در طول برج وجود خواهد داشت. میزان جریان برگشتی به عنوان یکعامل کنترلی بر روی درجه حرارت سیستم خواهد بود.
(Reboiler) جوش آور
جوش آورها که معمولا در قسمت های انتهای برج و کنارآن قرار داده می شود،وظیفه تأمین حرارت یا انرژی لازم را برای انجام عمل تقطیر به عهده دارند.
معمولا جوش آورها به عنوان یک مرحله تعادلی در عمل تقطیر و به عنوان یک سینی در برجهای سینی دار در نظر گرفته می شوند.
(Condenser) چگالنده
نقش چگالنده در واقع تبدیل بخارات حاصل از عمل حرارت دهی به مخلوط، به مایعمی باشد. این امر در اصطلاح میعان یا چگالش نامیده می شود و دستگاهی که درآن عمل مذکور انجام می شود چگالنده نام دارد. به طور کلی چگالنده ها به دودسته اساسی تقسیم می شوند:
-چگالنده های کامل (Total Condenser)
-چگالنده های جزئی (Partial Condenser)
در صورتیکه تمام بخار بالای برج به مایع تبدیل شود و بخشی ازآن وارد برجشده و بخش دیگر وارد مخزن جمع آوری محصول گردد عمل میعان کامل (Total Condensation) انجام شده است. اما اگر بخشی از بخارات حاصل مایع شده و بخشدیگر به صورت بخار از کندانسور خارج شود به آن یک کندانسور جزئی گفته میشود