انواع برج های جداسازی:

یکی از مهم ترین تجهیزات فرآیندی که در صنایع مربوط به نفت و گاز وجود دارد، برج های جداسازی می باشند. کار این تجهیزات، جداسازی اجزای موجود در یک ترکیب می باشد که هر کدام از این اجزاء می توانند ارزش بسیار بالایی در مقایسه با ترکیب اولیه داشته باشند. در این قسمت به معرفی انواع برج های جداسازی می پردازیم. جداسازی برای مخلوط های همگن و غیر همگن صورت می گیرد.

 اگر مخلوطی که جداسازی می شود همگن باشد، جداسازی می تواند تنها با افزودن و یا ایجاد فاز دیگری درسیستم انجام شود. به عنوان مثال در جداسازی یک مخلوط گازی، فاز دیگر می تواند به وسیله چگالش جزئی انجام شود. در صورتیکه یک مخلوط ناهمگن داشته باشیم، جداسازی می تواند به طور فیزیکی و با استفاده از تفاوت دانسیته بین فازها انجام گیرد.

اساس کار برج ها افزایش سطح تماس بین فازها می باشد که این افزایش ممکن است توسط سینی یا پرکن تامین شود. برج های جداسازی به سه روش پیوسته، نیمه پیوسته و غیرپیوسته عمل می کنند. جداسازی فازی درون برج ها به صورت فازهای جزئی زیر انجام می گیرند:

بخار-مایع، مایع-مایع، جامد-مایع، جامد-گاز و جامد-جامد.

دستگاه های بکار رفته در عملیات گاز- مایع به دو دسته زیر تقسیم می شوند:

    ۱- دستگاه هایی که در آن ها گاز پراکنده می شود:

مخازنی که در آن ها حباب گاز ایجاد می شود، مخزن مجهز به همزن و انواع برج های سینی دار را می توان در این دسته قرار داد. در این دستگاه ها فاز گاز به صورت حباب یا کف در فاز مایع پراکنده می شوند.

    ۲- دستگاه هایی که در آن ها فاز مایع پراکنده می شود:

این گروه شامل دستگاه هایی می شود که در آن ها مایع به صورت یک فیلم نازک و یا به صورت قطره ای درآمده و در فاز گاز پراکنده می شود. در این میان برج های دیواره مرطوب، برج های پاششی و ستون های پر شده را می توان نام برد.

معمولاً برج های جداسازی، بر اساس عملیات انتقال جرمی که بین فازها انجام می شود، به صورت زیر تقسیم بندی می شوند.

الف – برج های تقطیر

ب – برج های استخراج

ج – برج های جذب و دفع

برج های تقطیر(Distillation Columns):

تقطیر از جمله مهم ترین فرآیندهای جداسازی است که اساس جداسازی در آن اختلاف نقطه جوش اجزاء مخلوط می باشد.فرآیند تقطیر از روش های مستقیم جداسازی به شمار می رود. عمل تقطیر با استفاده از حرارت دادن به یک مخلوط و سرد کردن بخارات حاصل انجام می شود. به طور کلی یک برج تقطیر شامل چهار بخش زیر می باشد:

1. بدنه اصلی برج (Tower)
2. سیستم جوشاننده یا ریبویلر (Reboiler)
3. سیستم میعان کننده یا کندانسور (Condenser)
4. تجهیزات جانبی از جمله سیستم های کنترلی، مبدل های حرارتی میانی، پمپ ها، مخازن و…

به طور کلی برج هایی که در صنعت برای تقطیر به کار می روند، به صورت ۲ نوع زیر می باشند:

1. برج های سینی دار (Tray Towers)
2. برج های پر شده (Packed Towers)

برج های تقطیر سینی دار (Tray Distillation Towers):

برج های سینی دار مهم ترین نوع برج هایی هستند که در مراکز مهم صنعتی مانند پالایشگاه ها از آنها استفاده می شود.داخل این برج ها به فواصل معینی صفحه های فلزی سوراخ داری قرار داده شده است که به آن ها سینی گفته می شود. این برج ها به ارتفاع های مختلفی ساخته می شود که ممکن است از چند متر تا بیش از ۵۰ متر متغیر باشد. قطر این برج ها نیز ممکن است تا بیش از ۵ متر هم در نظر گرفته شود. برج های تقطیر می توانند سیستم ریبویلر و کندانسور داشته باشند و یا نداشته باشند.

درون برج، جریان های مایع و گاز بصورت غیر همسو روی این سینی ها با یکدیگر در تماس قرار می گیرند و انتقال جرم روی سینی رخ می دهد. جریان مایع به شکل افقی روی سینی حرکت کرده و توسط ناودانی هایی به سمت پایین (سینی بعد) می ریزد. جریان گاز نیز از پایین و توسط منافذ روی سینی، به سمت بالا حرکت می کند و به شکل حباب در مایع پخش می شود.سپس حباب ها از مایع جدا شده و به سمت بالا حرکت می کنند. ریبویلر حرارت لازم برای بخار شدن مایع در پایین برج را فراهم می کند و کنداسور بخار خروجی از بالای برج را مایع می کند.

مهم ترین پارامتر در طراحی یک برج تقطیر، تعداد مراحل تئوری آن می باشد. بر اساس آن تعداد سینی و همچنین ارتفاع برج مشخص می گردد. از دیگر پارامترهای مهم یک برج سینی دار می توان به فاصله سینی ها، عمق مایع روی سینی ها، نوع منافذ روی سینی، پروفایل فشار و دمای برج، سینی خوراک و… اشاره کرد. برج های سینی دار را بر اساس نوع منافذ روی سینی می توان به ۳ نوع زیر تقسیم کرد:

    ۱- سینی های غربالی (Sieve Tray):

سینی های غربالی، صفحات مشبک می باشند که بخارات از منافذ آن عبور کرده و به صورت حباب هایی وارد مایع روی سینی می شوند. این سینی ها نسبت به دو نوع دیگر بسیار ارزان بوده و ظرفیت بالاتری دارند. مزیت دیگر این سینی ها افت فشار کم آنها است که مجموعاً باعث شده که در طراحی ها در صورتی که مشکل عمده ای در میان نباشد به عنوان اولین انتخاب در نظر گرفته شود.

تصویر سمت راست سینی یک پاس گذر و تصویر سمت چپ سینی دو پاس گذر می باشد

   ۲- سینی دریچه ای (Valve Tray):

این سینی ها نیز صفحات سوراخ دار می باشند که هر سوراخ مجهز به یک صفحه کوچک (دیسک) متحرک می باشد. سوراخ های سینی می تواند مدور یا مستطیل باشد. در دبی کم بخار، صفحه بر روی سوراخ مستقر شده و آن را به نحوی می پوشاند که مایع چکه نکند. دریچه منافذ در ۲ نوع ثابت و متحرک ساخته می شوند. با افزایش دبی بخار دریچه در امتداد قائم به طرف بالا حرکت کرده و مجرا را برای عبور بخار باز می کند. این سینی ها قیمت مناسبی دارند و نسبت به تغییرات دبی بخار انعطاف پذیر می باشند.

تصویر سمت راست دارای دریچه های متحرک و تصویر سمت چپ دارای دریچه های ثابت می باشد

تصویر فوق نحوه عملکرد سینی دریچه ای را نشان می دهد

    ۳- سینی های فنجانی (Bubble Cap Tray):

این سینی متشکل از یک صفحه مشبک است که روی هر سوراخ یک لوله هدایت گاز به بالا و یک فنجان وارونه روی آن وجود دارد. در سینی فنجانی معمولاً لایه ای از مایع بر روی سینی باقی می ماند و گاز خروجی از زیر فنجان باید از داخل این لایه عبور کند. شکاف های روی هر فنجان، مستطیلی با عرض ۰٫۳ تا ۰٫۹۵cm و طول ۱٫۳ تا ۳٫۸cm می باشد. از مزایای این سینی ها این است که اولاً نشتی مایع از طریق سوراخ های سینی وجود ندارد ، همچنین در دبی های بسیار کم گاز به خوبی عمل می کند.

تصاویر بالا شکل سینی های فنجانی را نشان می دهد

تصویر فوق نحوه عملکرد سینی فنجانی را نشان می دهد

برج های تقطیر پر شده (Packed Bed Distillation Tower):

طرز کار برج های پر شده به همان صورت برج های سینی دار می باشد، با این تفاوت که در برج های پر شده سینی وجود ندارد بلکه تمام برج از اجسامی با جنس و شکل معین پر شده است که به این اجسام پرکن (Packing) می گویند. پرکن ها عموماً بر دو نوع منظم و نامنظم تقسیم بندی می شوند؛ پرکن های منظم در برخی موارد حتی بر سینی ها نیز برتری دارند. 

در این برج ها نیز همانند برج های سینی دار مایع از بالا و گاز از پایین جریان پیدا می کند. توزیع مایع در برج های پرکن حائز اهمیت بسیاری است زیرا توزیع ناهمسان موجب خشک ماندن برخی قسمت های بستر و در نتیجه کاهش راندمان تماس گاز -مایع می شود. جهت نگه داشتن بستر پرکن یک سینی زیرین و برای جلوگیری از انبساط بستر یک سینی بالایی در برج های پرکن تعبیه می شود.چند نمونه از پرکن های منظمچند نمونه از پرکن های نامنظم پرکن های منظم دارای برتری های زیر نسبت به برج های سینی دار می باشد:

1. 1. افت فشار بسیار کمتر

• ارتفاع کمتر برج به ازاء انتقال جرم برابر

• قابلیت پاسخگویی به محدوده وسیعی از دبی مایع

پرکن ها باید خصوصیات زیر را داشته باشند:

1. 1. سطح تماس زیادی بین مایع و گاز ایجاد کند

• افت فشار گاز در هنگام عبور از پرکن کم باشد

• از لحاظ شیمیایی در برابر سیالات داخل برج، بی اثر باشد

• قیمت مناسبی داشته باشد 

برج های استخراج (Extracting Towers):

در استخراج مایع- مایع دو فاز را باید در تماس با یکدیگر قرار داد تا عمل انتقال جزء مورد نظر انجام شده و سپس جداسازی صورت گیرد. در استخراج، چون چگالی دو فاز نزدیک به یکدیگر می باشد، برای اختلاط و جداسازی نیروی محرکه کمی در دسترس است. در این حالت عمل مخلوط کردن دو فاز مشکل و جداسازی آن ها مشکل تر است. ویسکوزیته هر دو فاز نسبتاً بالا و سرعت حرکت مواد در بیشتر قسمت های دستگاه های استخراج پایین است. 

در نتیجه در بسیاری از دستگاه های استخراج، نیروی محرکه لازم برای اختلاط و جداسازی با روش های مکانیکی تامین می شود. محصول استخراج ممکن است سبک تر یا سنگین تر از محصول پسماند باشد در نتیجه محصول استخراج در بعضی از دستگاه ها از قسمت فوقانی و در بعضی دیگر از قسمت تحتانی دستگاه خارج می شود. مهم ترین دستگاه ها و برج هایی که در استخراج بکار برده می شوند عبارتند از :

۱- دستگاه های مخلوط کننده- ته نشین کننده (Mixer-Settlers):

این دستگاه جزء متداول ترین دستگاه های استخراج محسوب می شود و عملکرد بسیار ساده ای دارد. راندمان مرحله ای آن ۷۵ تا ۹۵% می باشد. این دستگاه از یک بخش برای اختلاط دو فاز و بخش دیگری برای جداسازی آن دو تشکیل شده است. میکسر باید اختلاط یکنواختی را ایجاد کند. این اختلاط می تواند با تکان دادن کل مخزن، رها کردن حباب درون محتویات مخزن و یا جریان دادن محتویات از پایین به بالای مخزن صورت گیرد. ستلر به شکل مخزنی می باشد که به دو فاز مخلوط شده، اجازه ته نشینی می دهد.نحوه عملکرد دستگاه Mixer-Settler

۲- ستون های ضربه ای (Pulsed Columns):

در این دستگاه پالسی به صورت هیدرولیکی به مایع داخل ستون اعمال می شود. چون این استخراج کننده ها هیچ قسمت متحرکی ندارند خیلی عملی هستند. صفحات سوراخ دار، طوری سوراخ شده اند که جریان عادی در آن ها رخ نمی دهد. عمل نوسان که روی مایعات انجام می شود، مایعات سبک و سنگین را از سوراخ ها عبور می دهد. ستون های پر شده نیز می توانند به صورت ضربه ای عمل کنند. در این دستگاه شدت انتقال جرم در برابر افزایش هزینه انرژی، افزایش می یابد.

اجزای ستون ضربه ای

۳-برج های استخراج پاششی و پرکن (Spray and Packed Extracting Towers):

در برج پاششی مایع سبکتر از پایین وارد و با عبور از قسمتی شبیه به آب پاش به صورت قطرات کوچک پخش می شود. قطرات مایع سبک از داخل توده مایع سنگین که به طور پیوسته به طرف پایین حرکت می کند عبور کرده و به طرف بالا می روند. این قطرات در حین بالا رفتن انتقال جرم را انجام داده و بالای برج به هم ملحق می شوند. در روش گفته شده فاز سبک پراکنده و فاز سنگین پیوسته است.

 عکس این حالت نیز ممکن است، بدین صورت که فاز سنگین در قسمت فوقانی ستون در فاز سبک پاشیده می شود و به صورت پراکنده از داخل جریان پیوسته مایع سبک، به طرف پایین حرکت کند. به منظور ایجاد سطح تماس بیشتر فاز دارای شدت جریان بیشتر را پراکنده میکنند. اگر اختلاف ویسکوزیته بالا باشد، فاز دارای ویسکوزیته بالاتر را برای افزایش سرعت ته نشینی پراکنده می کنند.

برج های پاششی به علت اختلاط محوری، راندمان کمی دارند. و به سختی می توان از آن یک واحد تئوری به دست آورد.

انواع برج های استخراج پاششی- تصویر سمت راست سینی دار و تصویر وسط پر شده می باشد

۴- برج های دارای سینی مشبک(Sieve Extracting Tower):

طرز کار این نوع از برج ها به صورت برج های پاششی است. با این تفاوت که در داخل این برج ها به فاصله های معین سینی های سوراخداری قرار داده شده است. در این سینی قطر سوراخ ها ۱٫۵ تا ۴٫۵mm و فاصله آن ها از یکدیگر ۱٫۵ تا ۶mm است. در این سینی ها معمولاً مایع سبک فاز پراکنده را تشکیل می دهد، به طوری که در زیر هر سینی لایه ای از مایع تشکیل می گردد که به درون مایع سنگین پاشیده می شود.

۵-برج های استخراج صفحه ای (Plate Towers):

این گونه از برج های استخراج صفحه هایی افقی دارند که مایع سنگین از بالای هر صفحه جریان یافته و از لبه به داخل فاز سنگین و به طرف بالا پاشیده می شود. در این نوع از برج ها فاصله بین صفحه ها در حدود ۱۰۰ تا ۱۵۰ میلی متر است. در تصویر زیر عملکرد برج استخراج صفحه ای را مشاهده کنید.

۶- برج های استخراج همزن دار (Baffle Towers):

در این نوع از برج های استخراج، انرژی مکانیکی لازم را همزن های داخلی نصب شده روی میله دوار مرکزی تأمین می سازد. دیسک های مسطح مایعات را پراکنده و به طرف دیواره برج می رانند. در آنجا حلقه های استاتور (Stator rings) مناطق ساکنی را ایجاد کرده و دو فاز از یکدیگر جدا می شوند.

تصاویر بالا نمونه هایی از برج های استخراج همزن دار می باشند

۷- استخراج کننده با دیسک چرخان  RDC و استخراج کننده CM:

استخراج کننده CM از پره های توربینی دیسکی با پره های ساخت برای پخش و مخلوط کردن مایعات استفاده می کند. همچنین از صفحات افقی برای کاهش اختلاط محوری استفاده می نماید. دستگاه RDC خیلی مشابه CM است با این تفاوت که بافل های عمودی در آن وجود ندارد و همزدن در اثر دیسک های چرخان انجام می شود که معمولاً سرعت بیشتری از پره های توربینی دارند.

نمونه ای از استخراج کننده RDC