تقطیر و برج تقطیر

تقطیر و برج تقطیر

منظور از تقطیر، در واقع جداسازی فیزیکی برش های نفتی در پالایشگاه است که اساس آن اختلاف در نقطه جوش هیدروکربن های مختلف است است.هرچه هیدروکربن ،سنگین تر باشد ، نقطه جوش آن زیادتر است و بلعکس.
انواع تقطیر عبارتند از: 1-تقطیر تبخیر ناگهانی 2- تقطیر با مایع برگشتی 3-تقطیر نوبتی 4-تقطیر مداوم.

1-تقطیر تبخیر ناگهانی:
دراین نوع تقطیر،خطوطی از مواد نفتی که قبلاً در مبدل های حرارتی و یا کوره گرم شده اند، بطورمداوم به ظرف تقطیر وارد می شوند و تحت شرایط ثابت، مقدار ی ازآنها بصورت ناگهانی تبخیر میشوند. بخارهای حاصل بعد ازمیعان ومایع باقی مانده درپایین برج بعدازسردشدن بصورت محصولات تقطیرجمع آوری میشوند.عیب این نوع تقطیر،خلوص بسیارکم محصولات است.

2-تقطیر با مایع برگشتی:
اگر در روش 1 بخار حاصل را بعد از مایع کردن دوباره به داخل برج برگردانیم -این مایع،مایع برگشتی خوانده می شود-. تقطیر با مایع برگشتی خوانده میشود. در این روش مایع برگشتی با بخارات در حال صعود در تماس قرار داده می شود تا انتقال ماده و انتقال حرارت، صورت گیرد.از آنجا که مایعات در داخل برج در نقطه جوش خود هستند،پس در هر تماس از بخار،تبدیل به مایع می شودو بلعکس.
در نهایت تماس ها منجر به فراهم آمدن بخاری اشباع از هیدرو کربن ها با نقطه جوش کم و مایعی اشباع از مواد نفتی با نقطه جوش زیاد میباشد.
دراین روش، بخاطر استفاده از تماس بخار و مایع میتوان محصولات مورد نیاز را با هر درجه خلوص تولید کرد،البته به شرط اینکه به مقدار کافی مایع بر گشتی وسینی در برج موجود باشد . ابزار ما برای تغییر درجه جوش در این روش مقدار مایع برگشتی و یا تعداد سینی های داخل برج می باشد.
باید به این نکته توجه کرد که با افزایش مایع برگشتی به منظور افزایش درجه خلوص به همان مقدار مصرف سوخت نیز بالا می رود، چون این از نظر اقتصادی برای ما بصرفه نیست، تعداد سینی ها را در برج افزایش می دهیم.

3- تقطیر نوبتی:
این نوع تقطیر در قدیم بسیار متداول بوده، ولی امروز بعلت نیاز نیروی انسانی و ضرورت ظرفیت زیاد ، این روش کمتر مورد توجه قرار میگیرد . این روش صرفاً در صنایع دارویی و رنگ و مواد آرایشی و مواد مشابه بکار برده میشود و در صنایع پالایش نفت در موارد محدود مورد استفاده قرار می گیرد.بنابراین در موارد زیر،تقطیر نوبتی از نظر اقتصادی قابل توجه میباشد:
1- تقطیردر مقیاس کم 2- ضرورت تغییرات زیاد در شرایط خوراک محصولات مورد نیاز3-استفاده نامنظم از دستگاه4-تفکیک چند محصولی5-عملیات تولید متوالی با فرآیند های مختلف.

4- تقطیر مداوم:
امروز از این روش به دلیل اقتصادی بودن درتمام عملیات پالایش نفت استفاده می شود.در این روش برای یک نوع مخلوط ورودی مشخص و برش های تعیین شده شرایط عملیاتی ثابت بکار گرفته می شود. به همین علت در مقایسه با روش تقطیر نوبتی به مراقبت و نیروی انسانی کمتری احتیاج دارد.

محصولات روش تقطیر مداوم عبارتند از:
1- گاز اتان و متان بعنوان سوخت پالایشگاه 2-گاز پروپان و بوتان بعنوان گاز مایع و خوراک واحدهای پتروشیمی 3- بنزین موتور و نفتهای سنگین بعنوان خوراک واحد های تبدیل کاتالیستی برای تهیه بنزین بادرجه آروماتیسیته بالاتر 4-حلال ها 5- نفت سفید6- سوخت جت سبک و سنگین 7- نفت گاز 8- خوراک واحد های هیدرو کراکینگ و واحد های روغن سازی 9- نفت کوره و 10- انواع آسفالت ها.

در این روش ابتدا نفت خام را تا حدود 400 گرم می کنند تا بخاری داغ و مخلوطی سیال تولید کند که وارد برج تقطیر می شود. در این برج بخارها بالا می روند و درنقاط مختلف و درطول برج متراکم و به مایع تبدیل می شوند. اجزایی که نقطه جوش کمتری دارند(یعنی فرار ترند)بیشتر از اجزایی که نقطه جوش بیشتری دارند ،به حالت گاز باقی می مانند. این تفاوت در گستره های نقطه جوش امکان می دهد که اجزای نفت از هم جدا شوند. به همان طریقی که در یک تقطیر آب و الکل بطور جزئی از هم جدا می شوند. بعضی از گاز ها مایع نمی شوند و از بالای برج بیرون می روند. باقی مانده تبخیر نشده نفت نیز در ته برج جمع می شوند.

برج های تقطیر:
بطور کلی برج تقطیر شامل 4 قسمت اصلی می باشد:
1- برج 2-سیستم جوشاننده 3-سیستم چگالنده 4-تجهیزات جانبی شامل انواع سیستم های کنترل کننده ، مبدل های حرارتی میانی،پمپ ها و خازن جمع آوری محصول.

1- برج: برج های مورد استفاده در صنعت در 2 دسته اساسی زیرطبقه بندی می شوند 1- برج های سینی دار 2- برج های پر شده .
1-1- برج های سینی دار ؛ اساساً در 4 دسته زیر خلاصه می شوند . الف: برج های سینی دار از نوع کلاهک های (فنجانی) ب: برج سینی دار از نوع غربالی پ : برج سینی دار از نوع در یچه ای ت: برج سینی دار از نوع فورانی .

طرز کار یک برج سینی دار: بطور کلی فرآیند هایی که در یک برج سینی دار اتفاق می افتد، عمل جداسازی مواد است.در فرآیند تقطیر منبع حرارتی (جوشاننده)،حرارت لازم راجهت انجام عمل تقطیرو تفکیک مواد سازنده یک محلول تأمین می کند . بخار بالا رونده از برج با مایعی که از بالای برج بسمت پایین حرکت می کند ، بر روی سینی ها تماس مستقیم پیدا می کنند.این تماس باعث افزایش دمای مایع روی سینی می شود و در نهایت باعث نزدیک شدن دمای مایع به دمای حباب می شود .با رسیدن مایع به دمای حباب به تدریج اولین ذرات بخارحاصل می شود که این بخارات غنی از ماده فرار (ماده ای که از نقطه جوش کمتر یا فشار بالاتری برخوردار است) می باشد.ازطرف دیگردر فاز بخار مواردی 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. هرچه سطح تماس افزایش یابد عمل تفکیک با راندمان بالاتری صورت می گیرد.

2- سیستم جوشاننده: جوش آورها عموماً در قسمت انتهای برج و کنار آن قرار داده می شوند و وظیفه تأمین حرارت یا انرژی لازم را برای انجام عمل تقطیر به عهده دارند. معمولاً بعنوان یک مرحله تعادلی درعمل تقطیر و بعنوان یک سینی در برج های سینی دار در نظر گرفته می شوند.
انواع جوش آور ها عبارتند از: 1- دیگ های پوشش 2-جوش آورهای داخلی3-جوش آور نوع Kettle 4-جوش آور ترموسیفونی عمودی 5-جوش آورترمو سیفونی افقی 6- جوش آور نوع سیر کلاسیون اجباری.

3-سیستم چگالنده:
نقش چگالنده اساساً تبدیل بخارهای حاصل از عمل حرارت دهی به مخلوط،به مایع است. این امردر اصطلاح میعان یا چگالش نامیده می شود و دستگاهی که این عمل در آن رخ می دهد چگالنده نام دارد. بطور کلی چگالنده ها به 2 نوع تقسیم می شوند؛
1-چگالنده های کامل 2-چگالنده های جرئی.

در صورتی که تمام بخار بالای برج به مایع تبدیل شود و بخشی از آن وارد برج شده و بخشی دیگر آن وارد مخزن جمع آوری محصول می گردد عمل میعان کامل انجام شده است. اما اگر بخشی از بخارهای حاصل مایع شده و بخشی دیگر بصورت بخار از چگالنده خارج شود به آن یک چگالنده جزئی گفته می شود.
حال به بررسی انواع برج های نام برده در بالا خواهیم پرداخت.

1- برج های تقطیر با سینی کلاهدار(کلاهکی):
در این نوع برج ها ، تعداد سینی ها در مسیر برج به نوع انتقال ماده و شدت تفکیک بستگی دارد. قطر برج و فاصله میان سینی ها به مقدار مایع و گازی که در واحد زمان از یک سینی می گذرد وابسته است ،از آنجاییکه روی هر یک از سینی ها تغییر فاز رخ می دهد هر یک از این سینی ها یک مرحله تفکیک تلقی می شوند. برای اینکه بازدهی انتقال ماده در هر سینی به بیشترین حد برسد باید زمان تماس میان دو فاز و سطح مشترک آنها به بیشترین حد ممکن برسد.



بخش های مختلف برج تقطیر با سینی کلاهدار:
بدنه و سینی ها: جنس بدنه معمولاً از فولاد ریخته است و جنس سینی ها از چدن.فاصلۀ سینی ها را معمولاً با توجه به شرایط طراحی، درجه خلوص و بازدهی کار جدا سازی انتخاب می کنند.با بیشتر شدن قطر برج، فاصلۀ بیشتری برای سینی ها در نظر گرفته می شود.
سرپوش ها یا کلاهک ها:جنس آنها از چدن می باشد و نوع آنها با توجه به نوع تقطیر انتخاب می شود و تعدادشان در هر سینی به بیشترین حد مجاز عبور گاز از سینی بستگی دارد.
موانع یا سدها: برای کنترل بلندی سطح مایع روی سینی به هر سینی سدی به نام"وییر Wier " قرارمی دهند تا از پایین رفتن سطح مایع از حد معینی جلو گیری کند. بلندی سطح مایع درون سینی باید چنان باشد که گازهای بیرون آمده ازشکافهای سرپوش ها بتوانند از درون آن گذشته و زمان گذشتن هر حباب به بیشترین حدممکن برسد. اثر افزایش زمان گذشتن حباب ازمایع، زمان تماس گاز و مایع زیاد شده، بازده سینی ها بالا می رود.

2-برج های تقطیر با سینی مشبک (غربالی):
در این نوع برج ها ، اندازه مجراها یا شبکه ها باید چنان تعیین شود که فشار گاز بتواند گاز را از مایع با سرعتی مناسب عبور دهد. عامل مهّمی که دربازده این سینی ها مؤثر است، شیوه کارگذاری آنها در برج است اگراین سینی ها کاملاً افقی قرار نداشته باشند، بلندی مایع درسطح سینی یکنواخت نبوده و گذر گاز از همۀ مجرا ها یکسان نخواهد بود.
یک نکته قابل تأمل دراین نوع برج،خورندگی فلز سینی هاست چون براثر خورندگی ، قطر سوراخ ها زیاد می شود که در نتیجه مقدار زیادی بخار با سرعت کم از درون آن مجاری خورده شده گذر خواهد کرد.(می دانیم که اگر سرعت گذشتن گاز از حد معینی کمتر گردد مایع از مجرا به سوی پایین حرکت کرده بازدهی کار تفکیک کاهش خواهد یافت).

3-برج های تقطیر با سینی های دریچه ای:
این نوع سینی ها مانند سینی های مشبک هستند با این اختلاف که دریچه ای متحرک روی این مجرا را گرفته است.در صنعت نفت دو نوع از این سینی ها بکار میروند:
1-انعطاف پذیر: همانطور که از نام آن بر می آیددریچه ها می توانند بین دو حالت خیلی باز یا خیلی بسته حرکت کنند.
2- صفحات اضافی: دراین نوع سینی ها دو دریچه یکی سبک که درکف سینی قرار می گیرد و دیگری سنگین که برروی سه پایه ای قرارگرفته، تعبیه شده است. هنگامیکه بخار کم باشد، تنها سرپوش سبک به حرکت درمی آیدواگر مقدار بخار از حد معینی بیشتر باشد ، هردو دریچه حرکت می کنند.

4- برج های انباشته(پر شده):
دربرج های انباشته، به جای سینی ازتکه ها یا حلقه های انباشتی استفاده میشود.در برج های انباشته حلقه ها یا تکه های انباشته باید به گونه ای انتخاب شوند که دو هدف زیر را عملی کنند:
1-ایجاد بیشترین سطح تماس میان مایع و بخار 2-ایجاد فضای مناسب برای گذاشتن سیال از بستر انباشته.
مواد انباشتی باید دارای تمایل ترکیب با سیال درون برج نباشند و نیز باید به اندازه کافی مستحکم باشندتا براثراستفاده شکسته نشود و تغییرشکل ندهند
این را هم بدانیم که مواد انباشتی را به 2 روش درون برج قرار می دهند:
1-پرکردن منظم : ازمزایای این نوع پرکردن،کمتربودن افت فشاراست که درنتیجه حجم بیشر مایع را ازآن گذراند.
2-پرکردن نامنظم : از مزایای این نوع پر کردن ،میتوان به کم هزینه بودن آن اشاره کرد ولی افت فشار بخار درگذر برج زیاد خواهد بود.

مقایسه برج های انباشته با برج های سینی دار:
دربرج های انباشته عموماً افت فشار نسبت به برج های سینی دار کمتر است ولی اگردر مایع ورود برج ،ذرات معلق باشد ،برج های سینی دار بهتر عمل می کنند.زیرا در برج های انباشته ،مواد معلق ته نشین شده وسبب گرفتگی و برهم خوردن جریان مایع می گردد.
اگر برج بیش ازحدمتوسط باشد، برج سینی دار بهتر است زیرا اگر در برج های انباشته قطر برج زیاد باشد تقسیم مایع در هنگام حرکت از بستر انباشته شده یکنواخت نخواهد بود. در برج های سینی دار میتوان مقداری از محلول را به شکل فرآیندهای کناری از برج بیرون کشید، ولی در برجهای انباشته این کار شدنی نیست.کارهای تعمیراتی در درون برج های سینی دارآسانتر انجام می گیرد.تمیز کردن برج های انباشته ، از آنجا که بیش از هر چیز آنها را خالی کرده و بعد آنها را تمیز نماییم ، بسیار پرهزینه خواهد بود.

تقطیر جز به جز

مراحل فرآیند ««تقطیر جز به جز

 

نفت خام را تا حدود ˚400C گرم می‌کنند تا بخاری داغ و مخلوطی سیال تولید کند که وارد برج تقطیر می‌شود. در این برج بخارها بالا می‌روند و در نقاط مختلف در طول برج متراکم و به مایع تبدیل می‌شوند. اجرایی که نقطه جوش کمتری دارند (یعنی آنها که فرارترند) بیشتر از اجزایی که نقطه جوش بیشتری دارند، به حالت گازی باقی می‌مانند. این تفاوت در گستره‌های نقطه جوش امکان می‌دهد که اجزای نفت از هم جدا شوند. به همان طریق که در یک تقطیر آب و الکل به طور جزئی از هم جدا می‌شوند.

بعضی از گازها مایع نمی‌شوند و از بالای برج بیرون می‌روند. باقیمانده تبخیر نشده نفت نیز در ته برج جمع می‌شود. محصولاتی که نوعا از جدا سازی نفت به دست می‌آیند به این ترتیب است. بنزین دست اول که از تقطیر جز به جز نفت به دست می‌آید، عمدتا شامل هیدروکربن‌های خطی است که به سرعت می‌سوزد و به عنوان سوخت برای وسائل نقلیه موتوری مناسب نیست. آتشگیری سریع این ماده سبب کوبش یا صدای تق تق در موتور می‌شود که توان موتور را کم می‌کند و به آن آسیب می‌رساند.

درجه اکتان بنزین

برای درجه بندی خواص کوبش نسبی بهترین‌ها مقیاس دلخواه معین شده است. هپتان نرمال که نوع بنزین اول است و کوبش زیادی دارد و به عنوان بنزین در نظر گرفته شده که درجه اکتان آن صفر است. از طرف دیگر به 2 ، 2 ، 4-تری متیل پنتان «ایزو اکتان) که از این لحاظ بسیار عالی است، درجه اکتان 100 نسبت داده شده است.

برای تعیین تعیین درجه اکتان نوعی بنزین ، آن را در یک موتور استاندارد به کار می‌گیرند و خواص کوبشی آن را ثبت می‌کنند. در این عمل رفتار مخلوط‌هایی از n- هپتان و ایزواکتان را با رفتار بنزین مورد نظر مقایسه می‌کنند. درصد ایزواکتان مخلوطی را که خواص کوبش یکسانی با رفتار بنزین مورد آزمایش دارد، درجه اکتان آن بنزین می‌نامند.

 

ملکول بنزین

 

عدد اکتان مخلوط معینی از بنزین را می‌توان با افزایش عوامل ضد کوبش یا اکتان افزاینده‌ها بالا برد. پیش از سال 1975 متداول‌ترین عامل ضد کوبش تترااتیل سرب ، C₂H₃) ₄Pb) بود. افزایش 3g تترااتیل سرب در هر گالن عدد اکتان را 10 تا 15 درجه بالا می‌برد، و پیش از آنکه سازمان حفاظت محیط زیست (EPA) کاهش محتوای سرب بنزین را ضروری بداند، هم بنزین معمولی و هم بنزین سوپر در هر گالن به طور متوسط 3g تترااتیل سرب یا تتراامتیل سرب ، C₂H₃) ₄Pb) ، داشت.

افزودنی‌های بنزین

ترکیبات سربدار فوق العاده سمی است، و نقطه جوش کم تترااتیل سرب بر این خطر می‌افزاید. اما ، بر اثر دو اقدامی که از طرف سازمان محیط زیست به عمل آمد، میزان سرب در محیط به طوری موثر کاهش یافت. نخستین اقدام ، تصمیم گیری دوباره استفاده از مبدل‌های کاتالیزوری پلاتین‌دار بود که صدور منو اکسید کربن و اکسیدهای نیتروژن‌دار را کاهش دهد، ولی در این صورت لازم بود که بنزین‌های عاری از سرب مصرف شود، زیرا سرب کاتالیزور پلاتین را از فعالیت می‌اندازد.

در آغاز سال 1975 ، اتومبیل‌های جدید مجبور به استفاده بنزین‌های عاری از سرب شدند تا مبدل کاتالیزوری آنها محفوظ بماند و مقدار سرب تولید شده در هوا نیز کاهش یابد. برنامه کاهش سرب در بنزین به این نتیجه انجامید که مقدار آن به 0.1g در هر گالن برسد، و هدف نهایی بنزینی کاملا عاری از سرب بود. با کم شدن مصرف تترااتیل سرب ، لازم بود اکتان افزاینده‌های دیگری به بنزین افزوده شود تا درجه اکتان آن بالا رود. این مواد اکتان افزاینده عبارتند از تولوئن ، 2- میتل- 2- پروپانل ، میتل – ترشیوبوتیل اتر (MTBE) متانول و اتانول، در سال 1984 متداول ترین اکتان افزاینده MTBE بود. که برای نخستین بار در فهرست 50 ماده شیمیایی عمده اضافه شد.

بهینه سازی سوخت بنزین

مخلوط‌های از بنزین شامل متانول و اتانول نیز به عنوان سوخت مصرف می‌شود. سازمان حفاظت محیط زیست و تمام کارخانه‌های اتومبیل سازی امریکا مصرف مخلوط‌های بنزین _اتانول تا 10% اتانول داشته باشد، پذیرفته‌اند. ولی متانول بیشتر مورد توجه است، زیرا به عنوان اکتان افزاینده چند مزیت دارد. متانول وقتی به طور مناسبی با بنزین مخلوط شده باشد، اقتصادی‌تر است، درجه اکتان بالاتری دارد، و صدور میزان ذرات ، هیدروکربن‌ها ، منو اکسید کربن و اکسید‌های نیتروژن را می‌کاهد. ولی بزرگترین عیب متانول به رطوبت مربوط می‌شود. مقدار کمی رطوبت مخلوط اتانول – بنزین را ناپایدار می‌کند، و خوردگی فلز موتور مسئله‌ای جدی می‌شود.

مسئله رطوبت اتانول با استفاده از الکل دیگری «اتانول ، پروپانول‌ها) به عنوان کمک حلال در مخلوط‌های متانول ، حل شد. سازمان حفاظت محیط زیست چند مخلوط متانولی را که با استاندارد‌های صدور مواد از وسایل نقلیه موتوری مطابقت داشت و بنزینی با اکتان بالا برد، تصویب کرد. غالب مخلوط‌های متانولی حدود 2.5% متانول ، 2.5% ترشیو – بوتیل الکل ، 95% بنزین و یک ماده بازدارنده خورندگی دارند.

شباهت اکتشاف فلزات با اکتشاف نفت و گاز اکتشاف فلزات دارای نکات مشترکی با اکتشاف نفت و گاز می باشد. از جمله این که در گذشته بیشتر امور اکتشافی منابع طبیعی (فلزات – نفت و گاز) منوط به مطالعه بیرون زدگی های سنگی یا رخنمون ها Out crops و یافتن کانی های سنگین Heavy Minerals در مسیر رودخانه ها بوده است.
نتیجه این امور یافتن معادن و کانسارهای مختلف در مناطق مختلف جهان بوده است. از جمله نشت نفت و قیر در بعضی از حوضه های نفتی به صورت رخنمون هایی قابل رؤیت بوده است.
اما در حال حاضر، دوران یافتن منابع طبیعی مختلف براساس مشاهدات عینی به پایان رسیده است و به کاربردن روشها و متدهای جدیدتر و خلاقیت بیشتر برای کشف منابع طبیعی جدید مورد نیاز است.

به کارگیری ابزار و متدهای مدرن مانند متدهای هوایی air borne، استفاده از عکسهای ماهواره ای (دورسنجی Remo to sensing)، نمونه برداری و آنالیز نمونه ها با روش های مختلف و ابزار داده پردازی مدرن الکترونیک باعث تفسیرهای بهتر و دقیق تر و مفیدتری در امر اکتشاف می شود.

بهر حال فاکتور اصلی و هدف نهایی یافتن یک آنومالی Anomaly شیمیایی در یک منطقه می باشد که نشان دهنده وجود کانسارهای اقتصادی است.
قبل از انجام هرگونه کار صحرایی باید منابع موجود و قابل دسترسی به طور دقیق مورد بررسی قرار گیرد تا بتوان بدین وسیله پی سنگ را مشخص نموده و اطلاعاتی راجع به سنگ های پوششی روی پی سنگ آورد.

همچنین بایستی انواع گیاهی، آب و هوا و مسائل زیست محیطی منطقه مورد مطالعه نیز کاملا بررسی شود.
با استفاده از نقشه های 1:100000، 1:50000 و 1:25000 عناصر موجود در سنگ تعیین شده و اطلاعات اکتشافی اقتصادی، ژئوشیمی ، تکتونیک ، ژئوفیزیکی و ... بدست می آید.
پی جویی ژئوشیمیایی و بررسی سنگ ها، آب ها، خاک و گیاهان موجود در میدان ژئوشیمی در طول یک مقطع یا روند ساختاری صورت می گیرد.

مهاجرت عناصر شیمیایی براساس فعالیت های تکتونیکی با مقیاس بزرگ، فعالیت های ماگمایی موجود در پوسته زمین ، انرژی خورشیدی، انرژی درونی زمین، نیروی ثقل و خواص ذاتی عناصر امکان پذیر می باشد.
عامل اصلی تفاوت عناصر در محیط های طبیعی، تفاوت در مهاجرت و قابلیت تحرک عناصر می باشد.
در اکثر بررسی های ژئوشیمیایی دقت اهمیت بیشتری نسبت به صحت نتایج دارد زیرا چنانچه دقت پائین باشد،
آنومالی های ضعیف قابل تشخیص نخواهند بود. اما چنانچه هدف مقایسه نتایج بدست آمده با بررسی های دیگر و یا مقایسه با منابع علمی و اکتشافی باشد، در این حال نتایج دقیق و صحیح لازم است.

برج تقطیر

روشی برای جداسازی مواد اجزای سازنده یک محلول
تقطیر
Distillation

 

روشهای مختلفی برای جداسازی مواد اجزای سازنده یک محلول وجود دارد که یکی از این روشها فرایند تقطیر می‌باشد در روش تقطیر جداکردن اجزاء یک مخلوط ، از روی اختلاف نقطه جوش آنها انجام می‌گیرد. تقطیر در عمل به دو روش زیر انجام می‌گیرد. روش اول شامل تولید بخار از طریق جوشاندن یک مخلوط مایع ، سپس میعان بخار ، بدون اینکه هیچ مایعی مجددا به محفظه تقطیر بازگردد. در نتیجه هیچ مایع برگشتی وجود ندارد. در روش دوم قسمتی از بخار مایع شده به دستگاه تقطیر باز می‌گردد و به صورتی که این مایع برگشتی در مجاورت بخاری که به طرف مبرد می‌رود قرار می‌گیرد. هر کدام از این روشها می‌توانند پیوسته یا ناپیوسته باشند.

انواع تقطیر
تقطیر ساده غیر مداوم : در این روش تقطیر ، مخلوط حرارت داده می‌شود تا بحال جوش درآید بخارهایی که تشکیل می‌شود غنی از جزء سبک مخلوط می‌باشد پس از عبور از کندانسورها (میعان کننده ها) تبدیل به مایع شده ، از سیستم تقطیر خارج می‌گردد. به تدریج که غلظت جزء سنگین مخلوط در مایع باقی مانده زیاد می‌شود، نقطه جوش آن بتدریج بالا می‌رود. به این ترتیب ، هر لحظه از عمل تقطیر ، ترکیب فاز بخار حاصل و مایع باقی مانده تغییر می‌کند.
تقطیر ساده مداوم : در این روش ، مخلوط اولیه (خوراک دستگاه) بطور مداوم با مقدار ثابت در واحد زمان ، در گرم کننده گرم می‌شود تا مقداری از آن بصورت بخار درآید، و به محض ورود در ستون تقطیر ، جزء سبک مخلوط بخار از جزء سنگین جدا می شود و از بالای ستون تقطیر خارج می‌گردد و بعد از عبور از کندانسورها ، به صورت مایع در می‌آید جزء سنگین نیز از ته ستون تقطیر خارج می‌شود. قابل ذکر است که همیشه جزء سبک مقداری جزء سنگین و جزء سنگین نیز دارای مقداری از جزء سبک است.
تقطیر تبخیر آنی (ناگهانی) : وقتی محلول چند جزئی مانند نفت خام را حرارت می‌دهیم، اجزای تشکیل دهنده آن بترتیب که سبکتر هستند، زودتر بخار می‌شود. برعکس وقتی بخواهیم این بخارها را سرد و دوباره تبدیل به مایع کنیم، هر کدام که سبکتر باشد دیرتر مایع می‌گردد. با توجه به این خاصیت ، می‌توانیم نفت خام را به روش دیگری که به آن "تقطیر آنی" گویند، تقطیر نماییم. در این روش ، نفت خام را چنان حرارت می‌دهیم که ناگهان همه اجزای آن تبدیل به بخار گردد و سپس آنها را سرد می‌کنیم تا مایع شود. در اینجا ، بخارها به ترتیب سنگینی ، مایع می‌شوند یعنی هرچه سنگین‌تر باشند، زودتر مایع می‌گردند و بدین گونه ، اجزای نفت خام را با ترتیب مایع شدن از هم جدا می‌کنیم.
تقطیر در خلا : با توجه به اینکه نقطه جوش مواد سنگین نفتی نسبتا بالاست و نیاز به دما و انرژی بیشتری دارد، و از طرف دیگر ، مقاومت این مواد در مقابل حرارت بالا کمتر می‌باشد و زودتر تجزیه می‌گردند، لذا برای جداکردن آنها از خلا نسبی استفاده می‌شود. در این صورت مواد دمای پایین‌تر از نقطه جوش معمولی خود به جوش می‌آیند. در نتیجه ، تقطیر در خلا ، دو فایده دارد: اول این که به انرژی و دمای کمتر نیاز است، دوم اینکه مولکولها تجزیه نمی‌شوند. امروزه در بیشتر موارد در عمل تقطیر ، از خلا استفاده می‌شود. یعنی این که: هم تقطیر جزء به جزء و هم تقطیر آنی را در خلا انجام می‌دهند.
تقطیر به کمک بخار آب : یکی دیگر از طرق تقطیر آن است که بخار آب را در دستگاه تقطیر وارد می‌کنند در این صورت بی آنکه خلاء‌ای ایجاد گردد، اجزای نفت خام در درجه حرارت کمتری تبخیر می‌شوند. این مورد معمولا در زمانی انجام می‌شود که در نقطه جوش آب ، فشار بخار اجزای جدا شونده بالا باشد تا به همراه بخار آب از مخلوط جدا گردند.
تقطیر آزئوتروپی : از این روش تقطیر معمولا در مواردی که نقطه جوش اجزاء مخلوط بهم نزدیک باشند استفاده می‌شود، جداسازی مخلوط اولیه ، با افزایش یک حلال خاص که با یکی از اجزای کلیدی ، آزئوتوپ تشکیل می‌دهد امکان‌پذیر است. آزئوتروپ محصول تقطیر یا ته مانده را از ستون تشکیل می‌دهد و بعد حلال و جزء کلیدی را از هم جدا می‌کند. اغلب ، ماده افزوده شده آزئوتروپی با نقطه جوش پایین تشکیل می‌دهد که به آن شکننده آزئوتروپ می‌گویند. آزئوتروپ اغلب شامل اجزای خوراک است، اما نسبت اجزای کلیدی به سایر اجزای خوراک خیلی متفاوت بوده و بیشتر است.
مثالی از تقطیر آزئوتروپی استفاده از بنزن برای جداسازی کامل اتانول از آب است، که آزئوتروپی با نقطه جوش پایین با 6/95% وزنی الکل را تشکیل می‌دهد. مخلوط آب- الکل با 95% وزنی الکل به ستون تقطیر آزئوتروپی افزوده می‌شود و جریان جریان غنی از بنزن از قسمت فوقانی وارد می‌شود. محصول ته مانده الکل تقریبا خالص است وبخار بالایی یک آزئوتروپی سه‌گانه است. این بخار مایع شده، به دو فاز تقسیم می‌شود. لایه آلی برگشت داده شده، لایه آلی به ستون بازیافت بنزن فرستاده می‌شود. همه بنزن و مقدار الکل در بخار بالایی گرفته شده، به ستون اول روانه می‌شوند. جریان انتهایی در ستون سوم تقطیر می‌شود تا آب خالص و مقداری آزئوتروپ دوگانه از آن بدست آید.
تقطیر استخراجی : جداسازی اجزای با نقطه جوش تقریبا یکسان از طریق تقطیر ساده مشکل است حتی اگر مخلوط ایده آل باشد و به دلیل تشکیل آزئوتروپ ، جداسازی کامل آنها غیر ممکن است برای چنین سیستم هایی با افزایش یک جزء سوم به مخلوط که باعث تغییر فراریت نسبی ترکیبات اولیه می‌شود، جداسازی ممکن می‌شود. جزء افزوده شده باید مایعی با نقطه جوش بالا باشد، قابلیت حل شدن در هر دو جزء کلیدی را داشته باشد و از لحاظ شیمیایی به یکی از آنها شبیه باشد. جزء کلیدی که به حلال بیشتر شبیه است ضریب فعالیت پایین تری از جزء دیگر محلول دارد، در نتیجه جداسازی بهبود می یابد این فرآیند ، تقطیر استخراجی نام دارد.
مثالی از تقطیر استخراجی، استفاده از فور فورال در جداسازی بوتادی‌ان و بوتن است، فورفورال که حلالی به شدت قطبی است، فعالیت بوتادی ان را بیش تر از بوتن و بوتان کم می‌کند و غلظت بوتادی ان وفورفورال وارد قسمت فوقانی ستون تقطیر استخراجی شود، با انجام تقطیر بوتادی ان از فورفورال جدا می‌شود.
تقطیر جزء به جزء : اجزای سازنده محلول شامل دو یاچند فرار را که از قانون رائول پیروی می‌کنند، می‌توان با فرایند تقطیر جزء به جزء از هم جدا کرد. طبق قانون رائول ، فشار بخار محلول برابر با مجموع اجزای سازنده آن است و سهم هر جزء برابر با حاصلضرب کسر مولی آن جزء به جزء در فشار بخار آن در حالت خاص است. در تقطیر محلولی از B و A ، غلظت A در بخاری که خارج شده و مایع می‌شود، بیش از غلظت آن در مایع باقی مانده است. با ادامه عمل تقطیر ، ترکیب درصد اجزا در بخار و مایع دائما تغییر می‌کند و این در هر نقطه عمومیت دارد. با جمع آوری مایعی که از سردشدن بخار حاصل می‌شود و از تقطیر مجدد آن و با تکراری پی در پی این عمل ، سرانجام می‌توان اجزای سازنده مخلوط اصلی را به صورتی واقعا خالص بدست آورد.

فرایند تقطیر جزء به جزء
تقطیر جزء به جزء در ستون تقطیر سینی دار و یا پر شده انجام می‌گیرد، به این ترتیب که بخارات حاصل شده، از پایین به طرف بالای ستون حرکت می‌کند و با فاز مایعی که از میعان بخارات قبلی که در طول ستون تولید شده اند و به طرف پایین جریان دارند، در تماس می‌باشد و به این صورت تماس کامل بین فاز گاز و مایع برقرار می‌شود. درجه حرارت هر سینی پایینی خود کمتر است، و در ستون تقطیر ، دما از پایین به بالا ، کم می‌گردد. بخارهایی که نقطه میعان آنها ، مساوی درجه حرارت سینی باشد، و روی آن سینی به مایع تبدیل می‌شود و روی آن جمع می‌گردد و به روی سینی پایینی می‌ریزد. در نتیجه این عمل فاز بخار ، که غنی از جزء سبک است، از بالای ستون خارج می‌شود و فاز مایع که غنی از جزء سنگین از پایین جمع آوری می‌گردد. بخارهای خارج شده از قسمت بالای ستون در کندانسورها به مایع تبدیل شده، به عنوان محصول جمع آوری می‌گردد معمولا مقداری از این مایع جمع آوری شده جهت کنترل دمای ستون تقطیر به عنوان مایع برگشتی به داخل آن برمی‌گردد. قسمت بالای ستون تقطیر تا سینی که خوراک روی آن می‌ریزد به نام منطقه" تفکیک ستون" گویند و قسمت پایین ستون مربوط به خوراک را منطقه "عریان کننده" می‌نامند.

تقطیر جزء به جزء مخلوطهای دو جزئی و چند جزئی
هدف از تقطیر ، جداسازی خوراک به بخارهایی از محصولات تقریبا خالص است در تقطیر سیستم های دو جزئی ، درجه خلوص با کسر مولی جزء سبک در محصول تقطیر XO و در محصول ته مانده XB بیان می‌شود. در سیستم های دو جزئی از یک مرحله به مرحله دیگر ، به جزء در نقطه آزئوتروپ ، دما و منحنی تعادل تغییر می‌کنند و یک جزء در تمام ستون فرارتر است. اما در سیستم های چند جزئی یک جزء ممکن است در یک قسمت ستون فرارتر و در قسمت دیگر فراریت کمتری داشته باشد، که ماهیت پیچیده غلظت اجزا را نشان می‌دهد. تعادل فازی سیستم های چند جزئی نسبت به دو جزئی بسیار پیچیده است، به دلیل اینکه تعداد اجزاء زیاد است وتعادل به دما بستگی دارد و دما از یک مرحله به مرحله دیگر تغییر می‌کند.

منبع :

متن از shimi.blogfa.com