دسته: نفت و گاز فرآیند جدا سازی از مهم ترین فرآیندها در صنایع شیمیایی می باشند هدف از این فرآیندها جدا سازی اجزایی از یك مخلوط گازی ، مایع و یا جامد می باشد
قیمت فایل فقط 166,000 تومان
پروژه درباره تقطیر
مقدمه :
فرآیند جدا سازی از مهم ترین فرآیندها در صنایع شیمیایی می باشند . هدف از این فرآیندها جدا سازی اجزایی از یك مخلوط گازی ، مایع و یا جامد می باشد . در برخی از این فرآیندها جدا سازی از طریق تماس دو سیال ( گاز یا مایع ) با یكدیگر و انتقال جرم از یكی به دیگری انجام می شود . از این گروه می توان به جذب گازی ( Gas Absorpion) ، عاری سازی ( Stripping) ، تنظیم ( Distillation) استخراج ( Extraction ) اشاره نمود . در این فرآیندها از تجهیزاتی استفاده می شود كه قابلیت ایجاد سطح تماس مناسب بین دو سیال را داشته باشد . شدت انتقال جرم و میزان جداسازی بطور مستقیم به عواملی چون سطح تماس دو فاز ، طبیعت و میزان پراكندگی یك سیال در سیال دیگر بستگی دارد .
تجهرزات مختلفی كه بدین منظور استفاده می شود به دو گروه كلی تقسیم می گردد : 1 ) تجهیزاتی كه در آنها فاز گاز در فاز مایع پراكنده می شود . 2) تجهیزاتی كه در آنها فاز مایع در فاز گاز پراكنده می گردد .
تجهیزاتی كه در آنها فاز گاز در فاز مایع پراكنده می شود عبارتند از : برجهای سینی دار ( Teay Towers ) برجهای حبابی
( Bubble Columns) مخازن همزندار ( Agitated Vessels ) و تماس دهنده های گریز از مركز ( centrifugal contactors ) . ( شكل 1-1- )
برجهای سینی دار مایع از قسمت بالا و گاز از بخش پائین وارد برج ( محفظه ای عمودی و استوانه ای شكل ) می شود و بر روی سینی های برج با یكدیگر تماس می یابند . در هر سینی فاز گاز در فاز مایع پراكنده شده و پس از اختلاط و انجام بتادلات جرمی از یكدیگر جدا می شوند .
در برج حبابی مایع تمام برجرا پر می كند و فاز گاز از پائین وارد برج شده و در داخل فاز مایع بصورت حبابهایی پراكنده می شود .
مخازن همزن دار مشابه برج های حبابی هستند با این تفاوت كه در آنها از یك همزن جهت كوچك كردن قطر حبابهای گاز و در نتیجه زیاد كردن سطح تماس مایع و گاز استفاده می شود .
در تماس دهنده گریز از مركز با چرخش یك محفظه متحرك و ایجاد نیروی گریز از مركز به سمت دایره رانده شده و گاز بصورت معكوس و با اعمال فشار از سمت دیواره به سمت مركز حركت می كند ، در نتیجه سطح تماس مناسبی بین دو سیال ایجاد می گردد .
مهمترین تجهیزاتی كه در آنها فاز مایع در فاز گاز پراكنده می شود شامل برجهای دیوار مرطوب ( Wetled wall columns ) برج های پاششی
( spray Tower ) و برج های پر شده ( Packed Towers ) می باشد .
در برج دیواره مرطوب فاز مایع بصورت یك لایه نازك روی سطح داخلی برج به سمت پائین حركت می كند و با فاز گاز كه از میان گاز حركت می كند تماس می یابد .
در برج پاششی فاز گاز از پائین وارد برج می شود و فاز مایع از بالا از طریق منافذی به صورت قطرات ریز به داخل فاز گاز پاشیده می شود . در برج پر شده تماس دو فاز گاز و مایع از طریق پركن هایی ( packings ) است كه در برج قرار دارد . در این برج ها گاز از پائین وارد برج شده و مایع از بالا روی سطح پركن ها ریخته می شود و در نتیجه سطح تماس زیادی برای انتقال جرم بین دو فاز فرآهم می شود .
« برج های سینی دار »
در یك برج سینی دار جریان مایع و گاز بصورت غیر همسو روی یك سری سینیهای فلزی یا پلاستیكی با یكدیگر تماس می یابند . در شكل ( 2- 1 ) طرحی از یك برج سینی دار نمایش داده شده است . همانطور كه ملاحظه می شود مایع روی هر سینی بصورت افقی حركت می كند و از میان ناودان هایی به پائین و سینی بعدی می ریزد . جریان گاز نیز از پائین و از طریق منافذی وارد سینی ها می شود و بصورت حبابهایی در مایع پخش می شود ، این فرایند باعث ایجاد یك توده كف آلود می گردد .
بر روی هر سینی مایع و گاز با یكدیگر تماس می یابند و پس از آن گاز از مایع جدا شده و به سمت بالا و سینی بالاتر
حركت می كند . این عمل در سینی های دیگر
تكرار می شود و هر سینی یك مرحـله
جداسازی به حساب می آید . در صورت
تماس مناسب گاز و مایع در هر سینی ،
دو فاز به حالت تعادل نزدیك می شونـد
و در روی هر سینی برای نفــوذ گاز از
میان سینی ها و وارد شدن به مــــایع ،
منافذ بازی در نظر گرفته شده اســـت
، كه در سه نوع اصلـــــی مشبـــــك
( perforated , jeive ) ، كـــــلاهی
( Bubble cap ) ، و دریچـــــــه ای
( valve cap ) می بـــــاشـــــــند .
« برجهای پر شده »
یك برج پر شده به طور معمول جهت تماس مداوم در جریان گاز و مایع به منظور انتقال جرم و یا انتقال حرارت بین دو فاز استفاده می شود ( در استخراج مایع – مایع در مایع با یگدیگر تماس می یابند ) در این برجها مایع از قسمت بالا وارد برج می شود و توسط توزیع كننده هایی روی سطح پركن ها توزیع می شود و گاز نیز از پائین وارد ستون می گردد . طرح كلی یك برج پر شده در شكل ( 3-1 ) نشان داده شده است .
پركن ها مهم ترین بخش برج های پر شده می باشند كه جهت تماس در فاز استفاده می شوند . دیگر بخشهای برج شامل صفحات نگه دارنده پركن ها
( packing jupports ) ، توزیع كننده های مایع و گاز
( Liquid and Gas Distributors ) ، جمع آوری كننده های مایع
( Liquid collectors ) و محدود كننده یا نگه دارنده بالای بستر
( bed Limitter , Hold – Doen – Grid ) می باشد . شدت انتقال جرم در فرآیندهایی كه دو سیال با یكدیگر تماس می یابند به سطح تماس بین آن دو بستگی دارد یك برج پرشده نیز ساختمانی است كه در آن جریان مایع به صورت یك لایه نازك و ترجیحاً متلاطم در طول برج و روی پركن ها به سمت پائین حركت كند و در آن سیرهایی نیز جهت عبور جریان گاز و تماس با مایع فراهم شده باشد . افزایش سطح پر كن ها موجب افزایش سطح تماس مایع و گاز و در نتیجه موجب افزایش شدت انتقال جرم خواهد شد . البته در عمل ممكن است به دلیل عدم توزیع خوب مایع و یا قرار گرفتن نا مناسب پر كن ها و یا عوامل دیگر بخشی از پر كن ها در برج خشك مانده و در نتیجه تبادلی با فاز گاز در آن بخش ها صورت نگیرد . از این جهت سطح كل پر كن ها ، سطح واقعی تماس دو فاز باشد و سطح تر شده اهمیت دارد .
در یك برج پر شده اكثرا دو فاز را بصورت نا همسو با یكدیگر تماس
می دهند . برای مثال یك فرآیند جذب گازی را در نظر بگیرید كه در آن هدف ، جداسازی یك تركیب گازی از مخلوط گازی ، از طریق تماس با مایعی كه قابلیت حل كردن آن تركیب گازی را دارد می باشد . در این فرآیند مایع به عنوان حلال ، اجزاء منتقل شونده به عنوان جزء حل شونده و جریان گازی به عنوان حامل جزء حل شونده مطرح می باشند كه این حامل بطور معمول در فاز مایع حل نمی شود . در یك فرآیند ناهمسو جذب گازی در بالای برج مایع ورودی با غلظت كم و یا عاری از جزء حل شونده و در پائین برج مایع با غلظت بیشتر تا گاز ورودی غنی از جزء حل شونده تماس می یابند . این باعث می شود كه اختلاف غلظت در هر نقطه از برج وجود داشته باشد و از آنجائی كه شدت انتقال جرم بطور مستقیم با اختلاف غلظت دو فاز بستگی دارد ، جریان ناهمسوی گاز و مایع بسیار مؤثرتر از جریان همسو
می باشد .
منظور از ظرفیت یك برج پر شده ( Tower copacitg ) میزان جریان های گاز و مایع در برج می باشد به عبارتی ظرفیت بیان كننده میزان خوراك ورودی و یا محصولات خروجی از برج در واحد زمان می باشد .
طراحی یك برج پر شده و انتخاب تجهیزات مناسب نیز با توجه به ظرفیت مورد نظر صورت می گیرد . عوامل مختلفی روی ظرفیت و عملكرد یك برج موثر هستند كه مهمترین آنها افت فشار ( pressure Drap ) ، ماندگی مایع (Liquid Holdup ) و توزیع مایع ( Liquid Distribution) می باشد ، در ادامه ، تعریف موارد فوق هم چنین مفاهیمی مانند طغیان ( Flooding ) ، انباشتگی ( Loading) ، و كف زدائی ( Foaming ) ، به لحاظ اهمیت مورد بحث قرار می گیرند .
« افت فشار »
به منظور عبور یك سیال از میان یك كانال یا لوله ، اختلاف فشاری باید بین ورودی و خروجی وجود داشته باشد این اختلاف فشار برای محاسبات مهندسی بسیار مهم است زیرا حاصلضرب آن در شدت جریان سیال ، بیانگر توان پمپ مورد نیاز می باشد . عوامل متعددی موجب افزایش افت فشار در یك مسیر می شوند و از این جهت راه اصلی كاهش هزینه انتقال ، كاهش این افت فشار می باشد . افت فشار در یك بستر پر شده به مراتب بیشتر از یك لوله باز است . برای مثال افت فشار در یك بستر پر شده ممكن است 25 تا 50 برابر بیش از یك برج خالی باشد .
عوامل اصلی كه روی افت فشار در یك برج پر شده اثر می گذارد به ترتیب اهمیت به شرح زیر است : ( 1 )
از آنجایی كه از جریان سیال از میان بستر پر شده معمولا به صورت متلاطم است گرانروی فاز گاز اثر كمی رویس افت فشار دارد . اثر تخلخل روی افت فشار بسیار زیاد می باشد برای مثال كاهش تخلخل از 70 به 65 درصد ، می تواند افت فشار را تا 50 درصد افزایش دهد . میزان تخلخل در یك برج پر شده كاملا به نحوة بارگیری برج بستگی دارد ، بنابراین استفاده از اطلاعات افت فشار برای یك بستر خاص و تعمیم آن برای شرایط دیگر با مشكلاتی همراه است . هم چنین ممكن است دو نوع پركن با تخلخل یكسان ، افت فشار متفاوتی در برج ایجاد كنند . برای جریان متلاطم ، افت فشار با توان 1.8 تا 2 سرعت جرمی گاز رابطه دارد .
همانطور كه مشاهده می شود در هر شدت جریان مایع در ابتدا شیب خطوط تقریباً مشابه و ثابت می باشد اما با افزایش شدت جریان گاز ، افت فشار بطور ناگهانی افزایش یافته و تغییر شیب ناگهانی در منحنی را موجب می شود همچنین مشاهده می شود كه افت فشار با افزایش دبی مایع نیز به مقدار قابل ملاحظه ای افزایش می یابد . كاهش در اندازه پر كن ها موجب افزایش افت فشار در برج می شود كه این اثر در مورد جرم حجمی گاز
نیز صدق می كند .
ماندگی مایع ( Liquid Holdup )
دو نوع ماندگی مایع در برج پر شده تعریف می شود ، نوع ایستا ( jtatic ) و نوع عملیاتی ( operating ) (4 )
ماندگی مایع ایستا به حجم مایعی كه در واحد حجم بستر پس از متوقف شدن جریان های گاز و مایع و خارج شدن مایع عملیاتی باقی می ماند ، گفته می شود . مقدار ماندگی مایع به عواملی چون میزان سطح ، زبری سطح و شكل و زوایای پر كن بستگی دارد . از طرفی تماس و اتصال پركن ها در برج موجب نگه داشتن بخشی از مایع می گردد . ماندگی مایع ایستا معمولا زیاد نمی شود و اهمیت زیادی ندارد . با این وجود هر چه ماندگی مایع ایستا در یك برج كمتر باشد مطلوب تر است .
ماندگی مایع عملیاتی ، حجمی از مایع است كه در واحد حجم پر كن پس از توقف دبی های مایع و گاز از برج خارج می شود و یا به عبارت دیگر مقدار مایعی است كه در حین عملیات در میان بستر نگه داشته می شود . ماندگی مایعی عملیاتی تابعی از شدت جریان میایع می باشد . در زیر ناحیه انباشتگی جریان گاز اثر كمی روی آن دارد . اثر كشش سطحی بطور عملی روی ماندگی مایع برای مایعات با كشش سطحی زیاد مانند آب ( 70 dyn /cm) كم می باشد برای مایعات آلی ( با كشش سطحی حدود 27 dyn/cm ) در شدت جریان های كم مایع ، ماندگی مایع عملیاتی حدود 12 درصد كمتر از آب خواهد بود . این ماندگی مایع برای یك سیستم با كشش سطحی كم
( حدود Bdy /cm ) در شدت جریان های كم مایع ، تا 20 درصد نیز كاهش خواهد داشت . در شار مایعی حدود
( 4.75 lit /m2.s ) 7 gpm /ft2 كشش سطحی روی ماندگی مایع اثری ندارد . البته این اندازه گیری در شرایط اتمسفری بوده و قابل تعمیم به شرایط فشار زیاد نمی باشد . ( 2 )
ماندگی مایع با افزایش اثر گرانروی مایع افزایش می یابد . افزایش گرانروی از 1 cp به 16 cp , 2 cp بیه ترتیب موجب افزایش 10 در صد و 50 درصد در ماندگی مایع می شود . هم چنین اگر گرانروی مایع به 0.15 cp , 0.45 cp كاهش یابد میزان مادگی مایع به ترتیب 10 درصد و 20 درصد كاهش می یابد در یك افت فشار ثابت نیز كاهش چگالی مایع موجب افزایش حجم ماندگی مایع می شود .
هر چه میزان ماندگی مایع در یك برج كمتر باشد مطلوبتر است زیرا وزن برج كمتر خواهد بود ( وزن یك برج ممكن است در اثر ماندگی مایع تا 25 درصد افزایش یابد ) تخلیه مایع از برج كمتر زمان می برد و مهم تر اینكه افزایش ماندگی مایع موجب افت شدت فشار می شود . برای مثال در یك برج با نوعی پركن خاص افزایش ماندگی از 0.1 به 0.2 ( حجم مایع به حجم ستون ) می تواند موجب افزایش در افت فشار به میزان 100 درصد
گردد . (1 )
انباشتگی و طغیان :
همانطور كه قبلا اشاره شد میزان افت فشار تحت تاثیر شدت جریان های گاز و مایع می باشد . نمونه ای از منحنی تغییرات افت فشار با تغییرات شدت جریان ها در شكل ( 4 – 1 ) نشان داده شده است و صورت كلی این گونه منحنی ها در شكل ( 5-1 ) آمده است . شیب خط مربوط به بستر خشك برای جریان متلاطم در حدود 1.8 –2 می باشد و این عدد برای شدت های كم تا متوسط مایع نیز صدق می كند .
در یك سرعت ثابت گاز ، با افزیش شدت جریان مایع ، سطح عبوری جریان گاز كاهش یافته و از این جهت افت فشار افزایش می یابد . در ناحیه A زیر خط در شكل ( 5-1) ماندگی مایع با تغییر شدت جریان گاز تقریباً ثابت می ماند . اما با افزایش شدت جریان مایع افزایش می یابد . در نتیجه در ناحیه بین B , A ماندگی مایع با افزایش شدت گاز افزایش یافته ، سطح عبوری گاز كمتر شده و افت فشار بیشتر افزایش می یابد كه این موضوع با شكستی كه در منحنی ها در امتداد خط A رخ می دهد مشخص می باشد . این ناحیه را محدوده انباشتگی ( Loading ) می نامند .
زمانی كه شدت جریان گاز در یك شدت جریان ثابت مایع تا امتداد خط B افزایش می یابد یكی از حالات زیر رخ می دهد .
1 . لایه ای از مایع كه درون آن حباب های گاز قرار دارند در بالای بستر نمایان می شود .
2. مایع بستر را پر می كند و سیستم از حالات گاز پیوسته – مایع پخش شده به حالت فاز مایع پیوسته – گاز پخش شده تغییر می كند .
3. كف با سرعت زیادی تا بالای بستر را پر می كند .
به ناحیه بالای خط B ناحیه طغیان ( Flooding ) گفته می شود . در این محدوده گاز بخشی از مایع را با خود به سمت بالا حمل می كند و همانطور كه مشاهده می شود ( شكل 5-1 ) شیب منحنی افت فشار بطور ناگهانی افزایش می یابد . یك برج عملا نمی تواند در شرایط طغیان كار كند و معمولا محدوده مناسب طراحی بین مرزهای انباشتگی و طغیان است
( محدوده بین دو خط B, A ) كه این موضوع اهمیت این ناحیه را نشان می دهد و در حقیقت ظرفیت برج بر این مبنا محاسبه می شود . ( 3 )
معمولا افت فشار مجاز گاز به ازاء هر متر بستر برای برج های جذب و عادی سازی در محدوده 200 – 400 N/m2 برای برج های تقطیر اتمسفر در محدوده 400 – 600 N /m2 و برای برج های خلاء در محدوده
8 – 40 N/m2 می باشد . ( 3 )
« كف زدائی »
در برخی موارد تماس گاز و مایع ، و حركت و تلاطم آنها موجب تولید كف می گردد . كف موجب ایجاد فاز مایعی با جرم حجمی كم شده و بدین طریق موجب كاهش تخلخل بستر و در نتیجه افزایش افت فشار و كاهش ظرفیت برج می گردد . تغییرات كشش سطحی برای مایعات غیر كف زا اثر چندانی روی ظرفیت برج ندارد . برای بررسی میزان كف زائی یك سیستم می توان طی آن آزمایش نمودار تغییرات افت فشار بر حسب شدت جریان ها مشابه شكل ( 4 – 1 ) برای سیستمی مشابه ، با مایعی غیر كف زا و خنثی به دست آورد و سپس آنرا با نمودار بدست آمده برای مایع اصلی مقایسه كرد . مقدار افزایش افت فشار در مایع اصلی فرآیند نسبت به مایع غیر كف زا بیانگر میزان كف زائی مایع اصلی می باشد . همچنین این آزمایش نشان می دهد كه كف زائی با تغییر شدت جریان ها از چه ناحیه ای شروع می شود .
در برخی از سیستم ها ، كف به دلیل تاثیر جریان گاز روی مایع ایجاد می شود . در این موارد افت فشار با افزایش سرعت گاز سریعتر افزایش می یابد و این باعث خواهد شد كه برج در ظرفیت كمتری از گاز عمل كند . در بعضی سیستم های دیگر كف پایداری تولید می شود كه نرخ تولید آن بیش از نرخ از بین رفتن آن است . در این شرایط معمولا از مواد ضد كف
( Antifoa ming Agent ) استفاده می شود . این كف ممكن است در اثر عملكرد فعال كننده های سطحی در محیط بوجود آید . استفاده بیش از حد از مواد كف نیز خود موجب كف زایی خواهد شد .
توزیع مایع
یكی از مهم ترین مسائل در یك برج پرشده ایجاد و تداوم یك توزیع یكنواخت مایع در برج می باشد از آنجائی كه وظیفه اصلی برج های پرشده تماس مایع و گاز است ، بنابراین هرگونه نقص و عدم یكنواختی توزیع مایع در این سیستم ها موجب كاهش بازده فرآیند می شود . آزمایشات نشان داده كه حتی با وجود توزیع اولیه مناسب در بالای بستر ، ممكن است جریان مایع در بستر كاتالیزه شود . در برج هایی با قطر بزرگ احتمال توزیع غیر یكنواخت بیشتر است . هم چنین مشاهده شده است كه جریان اثر چندانی روی توزیع مایع ندارد مگر در نزدیكی های محدوده طغیان كه گاز بخشی از مایع را با خود به سمت بالا حركت می دهد . گرانروی سیالات اثر كمی روی توزیع آن ها دارد ، اما افزایش كشش سطحی و چگالی مایع موجب تمایل به توزیع غیر یكنواخت در مایع می شود .
با افزایش شدت جریان مایع معمولا توزیع مایع بهتر می شود . این مطلب ، بخصوص موقعی كه نسبت قطر برج به قطر پركن زیاد است صدق می كند . در برج هایی كه نسبت برج به قطر پركن كوچك تر از 7 باشد مایع تمایل به حركت به سمت دیواره را دارد . هم چنین با افزایش اندازه پركن سطح مرطوب كاهش می یابد و این احتمالا به دلیل افزایش تمایل به كانالیزه شدن است (1) .
جهت حفظ توزیع مناسب مایع در برج ، از تجهیزاتی چون نگه دارنده های پركن و صفحات توزیع كننده مایع در مقاطع مختلف برج و به صورت صحیح استفاده می شود .
« مقایسه برج های پر شده و سینی دار »
با توجه به اهمیت برج های پر شده و سینی دار و كاربرد وسیعی آنها در تجهیزات تماس دهنده گاز و مایع ، معمولا این سئوال مطرح است كه در شرایط مشخص كدامیك باید انتخاب شود . در این قسمت مقایسه ای بین این دو سیستم صورت گرفته است كه به انتخاب سیستم مناسب جهت یك فرآیند كمك می كند .
قیمت فایل فقط 166,000 تومان
برچسب ها : پروژه درباره تقطیر , Project distillation , تقطیر