پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

روش مک کیب

روش مک کیب-تیل (به انگلیسی: McCabe–Thiele method) روشی در مهندسی شیمی است که برای طراحی برج‌های تقطیر پالایشگاهی و صنعتی استفاده می‌شود. در برج‌های تقطیر صنعتی، تعدادی صفحهٔ بزرگ در فاصله‌های معین قرار دارند که سینی نامیده می‌شوند. بر اثر انتقال جرم بین بخار که در ریبویلر ایجاد می‌شود و مایعی که از کندانسور ریزش می‌کند، جداسازی در طی طول برج و بر روی سینی‌ها انجام می‌شود

.در این روش، محاسبهٔ تعداد سینی‌های مورد نیاز در طراحی برج‌های تقطیر صنعتی و پالایشگاهی با روش ترسیمی بیان می‌شود. برای این منظور نیاز به داشتن نموداری است که غلظت بخار و مایع در دماها و فشارهای مختلف در طی فرایند تقطیر را نشان داده باشد. این نمودار به «نمودار تعادلی» معروف است. در فرایند تقطیر ممکن است دو یا بیش از دو جز از یکدیگر جداسازی شوند، ولی در این روش فقط به جداسازی دو جز با فراریت‌های مختلف از هم پرداخته می‌شود.

ویژگی مهم این روش

ویژگی مهم روش مک کیب-تیل سادگی آن برای بیان یک فرایند پیچیده صنعتی و فیزیکی است، به‌طوری‌که با استفاده از یک نمودار ساده می‌توان به شکل کلی تغییرات داخل یک برج تقطیر را بررسی کرد. این روش اگرچه دارای خطای زیادی است ولی از لحاظ آموزشی دارای اهمیت بالایی است، طوری‌که تقریباً در تمام دانشگاه‌های جهان در رشته مهندسی شیمی تدریس می‌شود

.دیگر روش‌های موجود برای محاسبه سینی‌ها در برج تقطیر عبارتند از روش پانچون-ساواریت و معادله فنسک. این روش‌ها نسبت به روش مک کیب-تیل اطلاعات دقیق‌تری به دست می‌دهند ولی در عوض پیچیدگی محاسبات در آن‌ها بالاتر است. روش مک کیب-تیل نسبت به این روش‌ها ساده‌تر می‌باشد ولی خطای آن بیشتر است.

مخترعان این ر وش

روش مک کیب-تیل در سال ۱۹۲۵ میلادی، توسط دو مهندس شیمی به نام‌های وارن لی مک کیب و ارنست تیل که هر دو از دانش آموختگان دانشگاه MIT بودند، ارائه شد. فرض‌های اساسی این روش عبارت اند از:

• برابری گرمای نهان مولی اجزا در تبدیل از بخار به مایع و برعکس
• برابری شدت جریان‌های مایع و بخار بر حسب مول در ورودی و خروجی از سینی‌ها
• اختلاط مایع و بخار در هر سینی آدیاباتیک است، یعنی گرما بر اثر اختلاط اجزا تبادل یا ایجاد نمی‌شود.
• اختلاف دما بین سینی‌های متوالی برج ناچیز است زیرا از اتلاف گرما صرف نظر می‌شود.

برج تقطیر و عملکرد آن

در روش مک کیب-تیل منظور از برج‌های تقطیر، برج‌هایی هستند که در ابعاد بزرگ و در مصارف صنعتی تولید می‌شوند. این برج‌ها عمدتاً در پالایشگاه‌ها و برای جداسازی هیدروکربن‌های نفتی استفاده می‌شوند. برج‌های تقطیر استوانه‌هایی فلزی و بلند هستند که در درون آن صفحه‌هایی به نام سینی قرار دارد.

ورودی واحدهای تقطیر که به خوراک معروف است، مواد ناخالصی هستند که از دو یا چند جزء تشکیل شده‌اند و با ورود به برج تقطیر عمل جداسازی روی آن‌ها صورت می‌گیرد. ارتفاع، قطر، تعداد سینی، شرایط خوراک و… مواردی هستند که در علومی چون عملیات واحد و در مهندسی شیمی برای برج‌های تقطیر مورد بررسی و محاسبه قرار می‌گیرند.

سینی‌ها نقش مهمی در عمل جداسازی در داخل برج ایفا می‌کنند. به این صورت که در پایین برج واحدی به نام ریبویلر قرار داشته و مایع‌های پایین برج را می‌جوشاند و واحد کندانسور که در بالای برج قرار دارد به عکس، بخارهای بالای برج را مایع می‌کند. خوراک ورودی به برج از اجزا سبک (با فراریت زیاد) و سنگین (با فراریت کم) تشکیل شده‌است.

مباحث انتقال جرم

در اثر انتقال جرم بین بخارها که از پایین وارد سینی می‌شوند و مایع‌ها که از بالا به داخل سینی می‌ریزد، به تدریج مایع پایین برج از ماده سنگین و بخارهای بالای برج از ماده سبک غنی می‌شود. به این ترتیب مواد تشکیل دهنده خوراک ورودی بر اساس تفاوت در فراریت و دمای جوش از هم جداسازی می‌شوند. اصولاً زمانی از تفاوت در فراریت صحبت می‌شود که تفاوت در نقاط جوش اجزا، بیشتر از ۲۵ درجه سانتیگراد باشد. تعداد سینی‌ها نقش مهمی در کارایی یک برج تقطیر دارد که در روش مک کیب-تیل به محاسبه آن پرداخته می‌شود.

استفاده از روش مک کیب-تیل برای جداسازی خوراک دو جزئی امکان‌پذیر است و بر اساس روش ترسیمی با استفاده از داده‌های تجربی تعادل مایع-بخار می‌باشد. در این روش با فرض این که مایع و بخار بر روی هر سینی در حال تعادل ترمودینامیکی قرار دارند، تعداد سینی‌های تئوری محاسبه می‌شود که این تعداد از تعداد واقعی سینی‌های به کار رفته کمتر است. با در نظر گرفتن بازده هر سینی می‌توان به تعداد سینی واقعی به کار رفته در برج رسید.

افزایش زمان تماس فاز بخار و مایع موجب افزایش بازده سینی‌ها می‌شود. در روش مک کیب-تیل هدف محاسبه تعداد سینی‌های تئوری ({\displaystyle N_{T}}) می‌باشد.

توضیح نمادها

در رابطه‌های زیر نمادها به شرح زیر هستند:به قسمتی از ستون تقطیر که بالای سینی خوراک است را بخش غنی سازیو پایین سینی خوراک را بخش عاری سازی می‌گویند.

• {\displaystyle L}=جرم مایع در حال ریزش از سینی‌ها که برای تمام سینی‌های بخش غنی‌سازی با یکدیگر برابر است.
• {\displaystyle {\bar {L}}}=جرم مایع در حال ریزش از سینی‌ها که برای تمام سینی‌های بخش عاری‌سازی با یکدیگر برابر است.
• {\displaystyle V}=جرم بخار در حال صعود از سینی‌ها که برای تمام سینی‌های بخش غنی‌سازی با یکدیگر برابر است.
• {\displaystyle {\bar {V}}}=جرم بخار در حال صعود از سینی‌ها که برای تمام سینی‌های بخش عاری‌سازی با یکدیگر برابر است.
• از آنجایی که به‌طور استاندارد سینی‌های برج ار بالا به پایین شمارش می‌شود، اندیس‌های زیر نمادها نشان دهنده شماره سینی است که جریان مایع یا بخار از آن خارج شده‌است.
• {\displaystyle D}=جرم محصول مقطر یا محصول بالایی برج
• {\displaystyle W}=جرم محصول پایین برج
• {\displaystyle R}=نسبت برگشت در قسمت غنی‌سازی برج
• {\displaystyle x}=کسر مولی جز فرار در مایع
• {\displaystyle y}=کسر مولی جز فرار در بخار
• {\displaystyle n}=شماره سینی‌ها در بخش غنی سازی.
• {\displaystyle m}=شماره سینی‌ها در بخش عاری سازی.

بخش غنی‌سازی برج

در این بخش که شامل سینی‌های بالاتر از سینی خوراک و کندانسور می‌باشد، جز سبک‌تر در فاز بخار غنی می‌شود. در بالای برج بخارهای خروجی به کندانسور رفته و پس از میعان بخشی از آن به داخل برج مجدداً تزریق می‌شود. این بخش با عنوان جریان برگشتی یا ریفلاکس شناخته می‌شود. برای به دست آوردن خط تبادل بالای برج تقطیر به صورت زیر عمل می‌کنیم.

ابتدا رابطهٔ موازنه کلی را اطراف کندانسور می‌نویسیم:

{\displaystyle V_{1}=L_{0}+D}

در رابطهٔ بالا چون مایع برگشتی از کندانسور ({\displaystyle L_{0}}) به سینی اول ریخته می‌شود و پیش از آن نیز سینی وجود ندارد از اندیس {\displaystyle 0} استفاده شده‌است.

همچنین نسبت برگشت را نیز به صورت زیر تعریف می‌کنیم:

{\displaystyle R={\frac {L_{0}}{D}}\!}

حال رابطه موازنه کلی را بر حسب نسبت برگشت بازنویسی می‌کنیم:

{\displaystyle V_{1}=(1+R)D}

همچنین با توجه به فرض اولیهٔ مک کیب، مبنی بر برابری جرم همه بخارها باهم و مایع‌ها با هم در بخش غنی‌سازی و همچنین در بخش عاری‌سازی با همدیگر خواهیم داشت: {\displaystyle L=L_{0}} و {\displaystyle V=V_{1}} همچنین موازنهٔ جرم را برای جز فرار حول کندانسور می‌نویسیم:

{\displaystyle Vy_{n+1}=Lx_{n}+Dx_{D}\longrightarrow y_{n+1}={\frac {L}{V}}\!x_{n}+{\frac {D}{V}}\!x_{D}}

این رابطه به رابطهٔ خط تبادل بالای برج معروف است. همچنین می‌توان این رابطه را بر حسب نسبت برگشت به صورت زیر بازنویسی کرد:

بخش عاری‌سازی برج

در این بخش، مایع از جز سنگین‌تر غنی شده و به پایین برج ریزش می‌کند. این بخش از برج شامل سینی‌های پایین‌تر از سینی خوراک و ریبویلر می‌باشد. مایع پس از ریزش به پایین، برج وارد ریبویلر شده و پس از جوشیده شدن، بخشی از آن به عنوان محصول پایینی خارج و بخشی دیگر به داخل برج دوباره تزریق می‌شود. مجدداً برای این بخش نیز مطابق روش بالا و این بار حول ریبویلر موازنهٔ جرم را انجام می‌دهیم. موازنهٔ کلی جرم حول ریبویلر:

{\displaystyle {\bar {L}}\!={\bar {V}}\!+W}

موازنهٔ جرم جز فرار حول ریبویلر:

{\displaystyle {\bar {L}}\!x_{m}={\bar {V}}\!y_{m+1}+Wx_{m}\longrightarrow y_{m+1}={\frac {{\bar {L}}\!}{{\bar {V}}\!}}\!x_{m}-{\frac {W}{{\bar {V}}\!}}\!x_{W}}

و در انتها با ترکیب رابطهٔ موازنهٔ کلی و رابطهٔ بالا خط تبادل پایین به دست می‌آید:

خط خوراک

خوراک عبارت است از مادهٔ خام ورودی به یک واحد که در تقطیر عبارت است از ماده‌ای که به برج وارد شده و مورد جداسازی قرار می‌گیرد. خوراک ورودی می‌تواند پنج حالت کلی از نظر ترمودینامیکی داشته باشد که در جدول زیر نشان داده شده‌است:

شرایط خوراک	{\displaystyle f}	{\displaystyle q}
مایع سرد (مایع در دمای زیر نقطه حباب)	f<0	q>۱
مایع اشباع	۰	۱
مخلوط دو فازی (مخلوط مایع و بخار)	عددی بین ۰ و ۱	عددی بین ۰ و ۱
بخار اشباع	۱	۰
بخار مافوق داغ	f>۱	q<0

در جدول فوق {\displaystyle f} عبارت است از کسری از خوراک ورودی که به صورت بخار اشباع است و در نقطه مقابل {\displaystyle q} عبارت است از کسری از خوراک ورودی که به صورت مایع اشباع است. همواره برای یک خوراک ورودی جمع {\displaystyle f} و {\displaystyle q} برابر یک است یعنی:

{\displaystyle f+q=1}

از برخورد دادن دو معادلهٔ خط تبادل بالا و پایین برج که مربوط به بخش غنی‌سازی و عاری‌سازی است، معادلهٔ دیگری به نام معادلهٔ خط خوراک به دست می‌آید. خط کاملاً عمودی مایع اشباع، خط کاملاً افقی بخار اشباع، خطوط بین حالات افقی و عمودی حالت دو فازی، خط مجاور خط عمودی حالت مایع سرد و خط مجاور خط افقی حالت بخار مافوق داغ را نشان می‌دهد.

با استفاده از این معادله و ترسیم آن، می‌توان مکان سینی مناسب برای ورود خوراک را به دست آورد.

رسم نمودار و محاسبه تعداد سینی‌ها

برای محاسبهٔ تعداد سینی‌ها و محل سینی خوراک، ابتدا می‌باید نمودار تعادلی بخار-مایع برای دو مادهٔ موجود در مخلوط خوراک را داشته باشیم. در این نمودار که در شکل نشان داده شده‌است، کسر مولی جز فرار در فاز بخار محور عمودی (y) و کسر مولی جز فرار در فاز مایع محور افقی (x) است.

خط تعادل که در این نمودار به صورت ایدئال در نظر گرفته شده‌است در بالای خط {\displaystyle y=x} و به صورت یک قوس رسم شده‌است. ناحیه بین خط تعادلی و خط {\displaystyle y=x} ناحیه دو فازی است. از آنجایی که جداسازی در ناحیهٔ دو فازی رخ می‌دهد، خطوط تبادل و خط خوراک در این ناحیه قرار دارند.

مراحل رسم نمودار

خطوط تبادل و خط خوراک، خطوطی ساده فرض می‌شوند که مطابق معادلات گفته شده با داشتن شیب و عرض از مبدأ آن‌ها می‌توان ترسیمشان کرد. برای خط تبادل بالا شیب نمودار برابر {\displaystyle {\frac {L}{V}}\!} و عرض از مبدأ برابر {\displaystyle {\frac {L}{V}}\!x_{D}} است. همچنین برای خط تبادل پایین نیز شیب برابر با {\displaystyle {\frac {{\bar {L}}\!}{{\bar {V}}\!}}\!} و عرض از مبدأ برابر است با {\displaystyle {\frac {W}{{\bar {V}}\!}}\!x_{W}}. در صورت رسم صحیح دو خط، نقطه تقاطع این دو خط بر روی خط خوراک خواهد بود. در نتیجه با داشتن تنها شیب خط خوراک می‌توان از نقطه تقاطع دو خط تبادل، خط خوراک را رسم کرد.

ادامه کار

در ادامه می‌باید محل {\displaystyle x_{D}} و {\displaystyle x_{W}} و {\displaystyle x_{f}} را بر روی نمودار تعادلی مشخص نمود. (همواره {\displaystyle x_{D}} بزرگتر از {\displaystyle x_{W}} است و {\displaystyle x_{f}} در مکانی بین این دو قرار دارد) سپس از نقطهٔ {\displaystyle x_{D}} که خط تبادل بالا نیز از آنجا شروع می‌شود، به صورت افقی و عمودی خطوطی رسم می‌کنیم تا به {\displaystyle x_{W}} برسیم.

این خطوط همواره باید بین خطوط تبادل و خط تعادلی مایع-بخار باشد. در صورت رسم صحیح نمودار، تعدادی شکل مثلثی یا پله مانند به وجود می‌آید. تعداد این پلکان‌ها همان تعداد سینی‌های تئوری برج تقطیر است. همچنان که در شکل روبرو مشاهده می‌شود، محل تلاقی دو خط تبادل یا همان خط خوراک در محدودهٔ مثلث سوم است، در نتیجه خوراک می‌باید از سینی سوم وارد شود.

تصحیح تعداد سینی‌ها

ریبویلرها و کندانسورها به دو صورت کلیو جزئیهستند. در کندانسورهای جزئی، تنها بخشی از بخار که به داخل برج بر می‌گردد (ریفلاکس) به مایع تبدیل می‌شود و مابقی به‌صورت بخار خارج می‌شود اما در نوع کلی، همهٔ بخار ورودی به کندانسور به مایع تبدیل می‌شود؛ در مورد ریبویلرها نیز به همین ترتیب است.

در صورتی که کندانسور از نوع جزئی باشد، سینی شماره یک (پله شماره ۱) در شمارش تعداد سینی‌ها آورده نمی‌شود و در صورتی که از نوع کلی باشد سینی اول نیز شمارش می‌شود. زیرا در کندانسورهای جزئی، کندانسور خودش به صورت یک سینی عمل می‌کند چون فاز مایع و بخار همانند سینی در حال تعادل هستند که می‌تواند باعث جداسازی شود. در مورد ریبویلرها نیز به همین ترتیب برای سینی آخر (پله آخر) تصمیم‌گیری می‌کنیم.

حالت‌های خاص در روش مک کیب-تیل

شرایطی که در بالا مورد بررسی قرار گرفت ساده‌ترین حالت یک برج تقطیر یعنی یک خوراک ورودی و محصول بالا و پایین است. اما ممکن است در برخی شرایط تغییراتی در شکل و نحوهٔ جداسازی در برج انجام گیرد که در ادامه به تعریف آن‌ها و بررسی معادلات آن می‌پردازیم.

بیشترین میزان برگشت، کمترین تعداد سینی

{\displaystyle y_{n+1}={\frac {L}{V}}\!x_{n}+{\frac {D}{V}}\!x_{D}\longrightarrow y_{n+1}=x_{n}}

خط تبادل پایین

همچنین برای خط تبادل پایین نیز جرم محصول خروجی پایین ({\displaystyle W}) برج برابر صفر بوده و مقدار ({\displaystyle {\bar {L}}}) و ({\displaystyle {\bar {V}}}) با هم برابرند:

همان‌طور که مشاهده می‌شود این دو خط بر خط {\displaystyle y=x} منطبق هستند. برای محاسبهٔ تعداد سینی‌ها مطابق روش گفته شده تعداد پلکان‌ها را شمارش می‌کنیم. نکته مهم در این قسمت شمارش پله اول و آخر است زیرا کندانسور و ریبویلر از نوع کامل هستند.

کمترین میزان برگشت، بیشترین تعداد سینی

در این شرایط کمترین جرم ممکن از بخار به داخل برج بازگردانده می‌شود. برای این منظور می‌باید از {\displaystyle x_{D}} به محل تلاقی خط خوراک با خط تعادل وصل کرد تا خط تبادل بالا به دست آید. شیب و عرض از مبدأ این معادله برابر با شیب و عرض از مبدأ خط تبادل با کمترین نسبت برگشت ممکن است. با استفاده از رابطهٔ زیر می‌توان کمترین مقدار نسبت برگشت را محاسبه کرد:

{\displaystyle y_{n+1}={\frac {R}{R+1}}\!x_{n}+{\frac {x_{D}}{R+1}}\!}

شیب و عرض از مبدأ این معادله، برابر با شیب و عرض از مبدأ خط ترسیم شده‌است. برای خط تبادل پایین نیز از {\displaystyle x_{W}} به محل تلاقی خط خوراک و خط تعادلی رسم می‌شود و مطابق خط تبادل بالا شیب و عرض از مبدأ این خط برابر با شیب و عرض از مبدأ خط تبادل پایین با کمترین نسبت برگشت ممکن است.

همچنین در این حالت تعداد سینی‌ها به بی‌نهایت می‌رسد. در نتیجه به‌طور کلی می‌توان گفت که هر قدر خطوط تبادل به سمت خط تعادل میل کند، تعداد سینی‌ها نیز بیشتر می‌شود.

استفاده از بخار مستقیم

در برخی موارد به علت وجود یک بویلر مرکزی در واحد صنعتی، از یک ریبویلر مخصوص برای برج تقطیر استفاده نمی‌شود و مایع پایینی برج پس از خروج به بویلر فرستاده شده و بخار خروجی از بویلر مجدداً به پایین برج تزریق می‌شود.

در این حالت و با در نظر گرفتن جریان‌های ورودی و خروجی به پایین برج، معادلهٔ خط تبادل پایین به صورت زیر بازنویسی می‌شود:

{\displaystyle y_{m+1}={\frac {W}{S}}\!x_{m}-{\frac {W}{S}}\!x_{w}}

اگر خط تبادل با خط ({\displaystyle y=x}) برخورد داده شود در نقطه {\displaystyle x={\frac {-{\frac {W}{S}}\!}{1-{\frac {W}{S}}\!}}\!x_{W}} همدیگر را قطع می‌کنند

همچنین خط تبادل پایین در نقطهٔ ({\displaystyle x_{W}}) با محور {\displaystyle x} برخورد می‌کند. در نتیجه با در نظر گرفتن این دو نقطه (علاوه بر روش شیب و عرض از مبدأ) خط تبادل پایین قابل رسم است.

در این حالت خط تبادل بالا تغییر نمی‌کند و مانند قبل از نقطهٔ ({\displaystyle x_{D}}) تا خط خوراک رسم شده و با خط تبادل پایین برخورد می‌کند.

برج با چند خوراک ورودی

ممکن است در یک برج تقطیر بیش از یک خوراک وارد شود. در این شرایط به تعداد خوراک اضافه شده، خط تبادل جدید افزوده می‌شود و با رسم نمودار می‌توان محل سینی هر خوراک را تعیین کرد. خطوط تبادل بالا و پایین تغییر نمی‌کند ولی خطی جدید با معادلهٔ زیر برای ناحیهٔ بین دو خوراک ورودی خواهیم داشت:

{\displaystyle y_{z+1}={\frac {L’}{V’}}\!x_{z}+{\frac {Dx_{D}-F_{1}x_{f_{1}}}{V’}}\!}

بدیهی است که با افزوده شدن خوراک‌های جدید تنها تعداد عبارت‌های {\displaystyle Fx_{f}} در {\displaystyle {\frac {Dx_{D}-F_{1}x_{f_{1}}}{V’}}\!} اضافه می‌شود.

روش ترسیمی برای این حالت نیز مانند قبل است، با این تفاوت که فقط یک خط تبادل دیگر نیز افزوده می‌شود.در اینجا {\displaystyle V’} نشان دهندهٔ بخار در حال صعود و {\displaystyle L’} نشان دهندهٔ مایع در حال ریزش در قسمت بین دو خوراک ورودی است. همچنین اندیس {\displaystyle z} به این دلیل به کار می‌رود تا با معادلات خط تبادل بالا و پایین اشتباه نشود. به‌طور کلی با اضافه شدن خوراک جدید یا محصول جانبی، تعداد تقسیم‌بندی‌های برج زیاد شده و نام گذاری‌ها تغییر می‌کند.

برج با محصول جانبی

گاهی مواقع به محصول جانبی با کیفیت پایین‌تر از محصول بالایی برج نیاز داریم. در این شرایط با گرفتن یک خروجی از قسمت‌های پایین‌تر برج، این محصول به‌دست می‌آید. با استفاده از روش مک کیب-تیل می‌توان با داشتن اطلاعات محصول جانبی مورد نیاز، محل سینی مناسب برای خروج محصول جانبی را تعیین کرد. در این حالت نیز به تعداد محصول جانبی خارج شده از برج، خط تبادل اضافه می‌شود.

نکات مهم

نکتهٔ مهم در این قسمت این است که برخلاف حالت چند خوراک، شیب خط تبادل وسط نسبت به خط تبادل بالا کاهش می‌یابد. به‌طور کلی می‌توان گفت که ورود خوراک جدید موجب افزایش شیب خطوط تبادل میانی شده و خروج محصول جانبی نیز موجب کاهش شیب خطوط تبادل میانی می‌شود.

خط تبادل میانی در این حالت از معادلهٔ زیر پیروی می‌کند:

{\displaystyle y_{z+1}={\frac {L’}{V’}}\!x_{z}+{\frac {Dx_{D}+S_{1}x_{S_{1}}}{V’}}\!}

که در این رابطه {\displaystyle S_{1}} جرم محصول جانبی خروجی و {\displaystyle x_{S_{1}}} کسر مولی جز فرار در محصول جانبی خروجی است.

بدیهی است که با افزوده شدن محصولات جانبی جدید تنها تعداد عبارت‌های {\displaystyle Sx_{s}} در {\displaystyle {\frac {Dx_{D}-S_{1}x_{S_{1}}}{V’}}\!} اضافه می‌شود.

روش مک کیب-تیل برای تقطیر آزئوتروپی

 تقطیر آزئوتروپی

محلول‌های هم جوش یا آزوئروپ محلول‌هایی هستند که فراریت دو جز در آن‌ها متغیر است به‌طوری‌که در نمودار {\displaystyle x-y} آن‌ها تا بخشی از نمودار فراریت جز مثلاً A بیشتر است و از آن به بعد فراریت جز B بیشتر خواهد بود. در نتیجه در نمودار بر خلاف حالت ایدئال (مطابق قانون رائولت)، بخشی از نمودار بالای خط {\displaystyle y=x} و بخش دیگر زیر آن قرار خواهد گرفت.

جداسازی

برای جداسازی محلول‌های آزئوتروپ روش‌های زیادی پیشنهاد شده‌است اما بهترین آن استفاده از چند برج تقطیر به صورت سری است که طی این فرایند با هر بار جابجایی نمودار از بالای خط {\displaystyle y=x} به پایین و بر عکس یک برج جدید به مجموعه اضافه می‌شود. روش مک کیب-تیل برای این حالت نیز از اصول گفته شده پیروی می‌کند با این تفاوت که می‌باید برای هر برج به‌طور جداگانه اجرا شود.

در نتیجه مثلاً برای محلولی با یک نقطه آزئوتروپ که از دو ناحیه بالا و پایین خط {\displaystyle y=x} تشکیل شده‌است، چهار خط تبادل خواهیم داشت که دو تای آن در ناحیه بالای خط {\displaystyle y=x} و دو تای دیگر زیر خط {\displaystyle y=x} رسم خواهد شد. همچنین هر بخش نشان دهنده تعداد سینی‌های مربوط به یک برج است چرا که دو یا چند برج در این حالت به کار رفته‌است.

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی:

بیشتر فرآیندهای صنعتی شامل انتقال مایعات یا انتقال انرژی است. این کار به لطف پمپ های گریز از مرکز که محبوب ترین توربوماشین ها هستند، امکان پذیر شده است. رشد و پیشرفت فرآیندهای صنعتی همواره با پیشرفت تجهیزات پمپاژ مرتبط بوده است. پمپ های گریز از مرکز به دلیل ظرفیت آنها برای استفاده در جریانهای شدید، بیش از 85٪ از تولیدات جهانی پمپ ها را تشکیل می دهند.

این پمپ ها برای کاربردهای مختلف از جمله تقویت فشار، فاضلاب، تأمین آب، توزیع گرمایش و سرمایش و سایر کاربردهای صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. مهندسین عملیاتی در چنین صنایعی باید نه تنها درک خوبی از روند فرآیند ها بلکه از اجزای پمپ ها نیز داشته باشند.

پمپ گریز از مرکز چیست؟

به زبان ساده ، پمپ سانتریفیوژ ماشینی است که به مایع یا سیال انرژی می دهد تا مقدار ارتفاع آن افزایش یابد. این پمپ متعلق به کلاس ماشین های چرخشی است. این دستگاه با توجه به اینکه اولین دستگاه در اواخر 1600 طراحی شده است، به اندازه کافی مورد آزمایش واقع شده است.

با این حال، بیشترین کاربرد آن در قرن گذشته بوده است. پمپ های جابجایی مثبت قبل از آن محبوب تر بودند. ما می توانیم بیشتر این رشد را به دلیل توسعه موتورهای احتراق داخلی ، موتورهای برقی و توربین های بخارکه برای حرکت به پمپ های گریز از مرکز نیاز دارند، مرتبط بدانیم.

چرا این پمپ ها امروزه بسیار محبوب هستند؟ پمپ های گریز از مرکز به دلیل بهترین نسبت کارایی به هزینه بالاتر در مقایسه با سایر نوع پمپ ها یا دستگاه های مورد استفاده در انتقال مایعات استفاده می شوند.

اصول کار یک پمپ گریز از مرکز

به طور معمول، یک پمپ گریز از مرکز از یک محفظه پر از مایع تشکیل شده است. این مایع می تواند هر چیزی باشد،اما در بیشتر موارد آب است. یک جزء درون محفظه (پروانه) با سرعتی بالایی می چرخد و در نتیجه مایعات را تحت نیروی گریز از مرکز قرار می دهد. به دلیل این ایجاد نیرو، مایع به سمت خروجی تخلیه می شود.

با تخلیه آب، خلاء ای ایجاد می شود که منجر به شکل گیری فشار اتمسفر می شود  و باعث می شود مایعات بیشتری از محفظه خارج شود. بخشی از دلیل بی نقص بودن این حرکت به دلیل است که پره ها روی پروانه دارای انحنا هستند.

حرکت سیال درون یک پمپ گریز از مرکز

ایده پمپ گریز از مرکز تبدیل نیروی گریز از مرکز به انرژی جنبشی است. چرخش پروانه به مایعات نیرو محوری می دهد که متناسب با سرعت در نوک پره است. با بیرون آمدن مایعات ، انرژی جنبشی دارد. این انرژی جنبشی به دلیل مقاومت در نازل تخلیه و حلزونی پمپ بیشتر در ادامه فشاری تبدیل می شود.

پارامترهای طراحی مکانیکی پمپ

مفید بودن مکانیکی و هیدرولیکی پمپ گریز از مرکز برای اثربخشی و قابلیت اطمینان سیستم بسیار مهم است. اندازه بیش از اندازه یا کم آن می تواند منجر به وقوع مشکلات در طول عمر کاری سیستم شود.

این فاکتورها مربوط به هر دو مشخصات مکانیکی و هیدرولیکی پمپ هستند. ملاحظات مکانیکی عبارتند از: شرایط پمپاژ ، آب بندی پمپ و هندسه پروانه. به طور کلی، شما باید در عمل بین راندمان و هزینه در هنگام طراحی هندسه تعادل برقرار کنید.

ملاحظات هیدرولیکی شامل نقطه کاری، سرعت جریان، مشخصات سیال و مقاومت سیستم است.

شما نمی توانید هنگام طراحی یا نصب پمپ گریز از مرکز ، شرایط مکش را نادیده بگیرید. یک مفهوم مهم در این زمینه هد خالص مکش مثبت (NPSH) است، که به معنی هد مورد نیاز در مکش پمپ در یک شرایط کاری خاص جهت جلوگیری از مشکلات وقوع کاویتاسیون است.

NPSH مورد نیاز فقط به طراحی سازنده پمپ بستگی دارد: پوشش، پروانه، نازل … این داده ها توسط سازنده به عنوان منحنی ارائه می شوند و NPSH موجود به شرایط مکش پمپ بستگی دارد.: فشار مایع، دما، بخار فشار سیال، سر مکش یا بالابر مکش … این داده ها توسط طراح نصب محاسبه می شود. برای انجام این محاسبات از روابط دقیق ریاضی مهندسی استفاده می گردد.

طراحی و عملکرد پمپ گریز از مرکز

دو قسمت اصلی در یک پمپ گریز از مرکز وجود دارد که عبارتند از قسمت ثابت و قسمت دوار. قطعات مانند اجزای نشان داده شده  در شکل 2 در پایین است. قطعات ثابت عبارتند از محفظه ، نازل و بلبرینگ.

قطعات چرخان عبارتند از پروانه و شفت (میله). به غیر از این قسمت های اصلی ، پمپ گریز از مرکز همچنین دارای اجزای کمکی است که شامل سیستم های خنک کننده ، کنترل و روانکاری می باشد.

اجزای یک پمپ سانتریفیوژ

در هنگام انتخاب قسمت های محتلف یک پمپ گزینه های طراحی بسیاری وجود دارد. روکش مونوبلوک یا اسپلیت، مکش دوگانه، مکش انتهایی، خط ورودی، پروانه بسته یا باز، ساخت افقی یا عمودی ، تک مرحله یا چند مرحله و غیره تولید کننده محصولات مختلفی با ترکیب متفاوت قطعات برای رسیدن به نیازهای خاص هر فرآیند را دارد. به عنوان مثال  پروانه باز برای سیال با جامد معلق استفاده میشود.

پروانه

پروانه مهم ترین عضو یک پمپ است. پروانه یک پمپ گریز از مرکز به سرعت چرخش می یابد تا سرعت را به مایع پمپاژ شونده منتقل کند. اگر قبلاً پروانه پمپ را ندیده اید، پروانه قایق را تجسم کنید. هنگامی که یک پروانه قایق چرخانده می شود ، سرعت را به مایع اطراف آن منتقل می کند. با حرکت مایع، این سرعت پروانه را وادار به حرکت می کند تا در آب حرکت کند.

حال تصور کنید چه اتفاقی می افتد اگر قایق در محل قرار گیرد، آنقدر محکم باشد که از حرکت قایق جلوگیری کند. بعد تصور کنید که سرعت تولید شده توسط پروانه قایق  به طوری کنترل شده است که جریانی از آب ایجاد می شود تا شما بتوانید در به سمت مکان دلخواه خود حرکت کنید.

در پمپ گریز از مرکز شما پروانه ای دارید که به سرعت می چرخد ​​و سرعت را به مایع موجود در پمپ منتقل می کند درست همانطور که یک پیشران قایق سرعت را به آب یک دریاچه منتقل می کند. محفظه، بخشی از ساختار پمپ است که سرعت آن را می گیرد ، آن را شامل می شود، آن را را کنترل می کند و به سمت جهت مطلوب می فرستد.

هر پروانه دارای 1 یا بیشتر پره است که از مرکز پروانه  به سمت محیط خارجی آن کشیده شده اند. با چرخش پروانه، نیروی گریز از مرکز باعث می شود تا مایع به سرعت از مرکز پروانه، در امتداد پره ها حرکت کند و سپس از پروانه در خارجی ترین قطر خارج شود. نتیجه این است که مایع پمپ شده از محیط پروانه با سرعت بسیار بالایی خارج می شود.

انتخاب هیدرولیکی

در مورد فرآیند انتخاب پمپ گریز از مرکز: ظرفیت، هد و هد خالص مکش مثبت (NPSH) پارامتر های مهم هستند. آن ها در مراحل کلی زیر در انتخاب پمپ گریز از مرکز تعیین کننده هستند:

مرحله 1: محاسبه نرخ حجمی مورد نیاز

نرخ حجمی به حجم سیال عبور داده  شده در واحد زمان از درون پمپ اشاره دارد. این پارامتر با نوع فرآیند و تعداد پمپ هایی که نصب می شود تعیین می شود.

مرحله 2: محاسبه هد استاتیکی

هد استاتیک به تفاوت در ارتفاع بین بالاترین نقطه در جایی که می خواهید آب را تحویل مصرف کننده بدهید  و ارتفاع منبع آب، اشاره دارد. همانطور که از نام آن پیداست ، هد استاتیک ثابت است، یعنی با تغییر دبی سیستم دچار تغییر نمیشود.

مرحله 3: محاسبه هد اصطکاکی

برای محاسبه اتلاف هد در اثر اصطکاک، باید تمام عناصر موجود در سیستم لوله وصل شده به پمپ را در نظر بگیرید: لوله، اتصالات، مبدل های حرارتی، شیرها و… با تعیین خصوصیات اصطکاکی این عناصر و خصوصیات سیال، هد اصطکاکی محاسبه می شود.

مرحله 4: محاسبه هد کل

شما می توانید با جمع کردن هد استاتیک و هد اصطکاکی، هد کل را بدست آورید.

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

اتانول چطور تولید می شود؟

اتانول یا اتیل‌ الکل یک مایع شفاف و بی‌رنگ است که ترکیب اصلی بسیاری از نوشیدنی‌های الکلی را تشکیل می‌دهد. در مقیاس صنعتی می‌توان از راه‌های هیدراتاسیون گاز اتیلن و یا فرآیند تخمیر به اتانول دست‌یافت. با استفاده از تخمیر؛ اتانول را می‌توان از هر محصول گیاهی که حاوی مقادیر زیادی شکر است، تولید کرد. هر ترکیبی هم که بتوان آن را به شکر تبدیل کرد در تولید اتانول استفاده می‌شود مانند نشاسته و سلولز.

نشاسته و سلولز در تولید اتانول

شکر چغندرقند و نیشکر؛ استخراج‌شده و تحت فرآیند قرار می‌گیرد. محصولاتی مثل ذرت ، گندم و جو حاوی نشاسته هستند، به شکر تبدیل می‌شوند و از آن اتانول تولید می‌کنند. عمده تولید اتانول ایالات‌متحده از نشاسته صورت می‌گیرد. منبع تأمین نشاسته هم عمدتاً از مزارع ذرت تأمین می‌شود.
منبع دیگر شکر در درخت‌ها و سایر گیاهان به‌صورت الیاف سلولزی وجود دارد. برای استفاده از سلولز، ابتدا باید آن را به شکر تخریب کرد و سپس شکر طی فرایند تخمیر، به اتانول تبدیل می‌شود. محصولات جانبی عملیات‌های جنگل‌داری هم، برای تولید اتانول با منبع سلولزی استفاده می‌شود. خاک‌اره، تکه‌های چوب، شاخه‌ها و ضایعات محصولات کشاورزی از موادی هستند که می‌توان از آن‌ها در تولید اتانول سلولزی استفاده کرد. برخی گیاهان نیز منحصراً برای تولید اتانول کشت می‌شوند.

فرآیند میلینگ

تولید اتانول عمدتاً در یک فرایند چهار مرحله‌ای انجام می‌شود:

• مواد اولیه که محصولات کشاورزی یا گیاهان را شامل می‌شود برای تسهیل فرایند خرد می‌شوند.
• شکر از مواد اولیه جدا می‌شود. به‌طور دقیق‌تر سلولز به شکر تخریب‌شده و یا نشاسته به شکر تبدیل می‌شود. این عملیات طی یک فرایند پخت انجام می‌شود.
• مخمرها و باکتری‌ها از شکر تغذیه می‌کنند و اتانول آزاد می‌شود. این فرایند تخمیر نام دارد و طی این فرایند کربن دی‌اکسید به‌عنوان محصول جانبی ایجاد می‌شود. بسیاری از نوشیدنی‌های بر پایه انگور و مالت هم با فرایند مشابهی تولید می‌شوند.
• برای حصول اتانول با غلظت‌های بالا، طی فرایند تقطیر، اتانول از سایر محصولات جداسازی می‌شود. برای اینکه این اتانول توسط انسان قابل‌مصرف نباشد گازوئیل به‌عنوان ماده افزودنی به آن اضافه می‌شود. ذرت استفاده‌شده را می‌توان بعد از فرآیند، جداسازی نمود و برای غذای دام و طیور استفاده کرد.‌

میلینگ مرطوب

روش دیگری که برای تولید اتانول توسط تولیدکنندگان در مقیاس بزرگ استفاده می‌شود، میلینگ مرطوب است. در این فرآیند، یک مرحله خیس شدگی وجود دارد. پس‌ازآن تفاله غلات، روغن ، نشاسته و گلوتن جداسازی شده و برای تبدیل به محصولات ارزشمندتر تحت فرآیند قرار می‌گیرند. یکی از این محصولات شربت ذرت است که دارای مقادیر زیادی فروکتوز می‌باشد. این شربت به‌عنوان شیرین‌کننده در صنایع غذایی استفاده می‌شود. روغن ذرت هم محصول دیگری است که از محیط جداسازی شده و تحت پالایش قرار می‌گیرد. گلوتن تحت فرآیند میلینگ مرطوب جدا می‌شود و به‌عنوان ماده افزودنی در خوراک مورداستفاده قرار می‌گیرد.

خالص سازی اتانول

در فرآیند تولید اتانول پس از تخمیر، نوبت به مرحله‌ی تقطیر می‌رسد. در این مرحله اتانول تا حدود 96 درجه خالص می‌شود. در این مرحله از چند برج تقطیر سینی‌دار یا آکنده با جنس استیل وجود دارد. برای به دست آوردن خلوص بیشتر از چند روش می توان استفاده کرد:
استفاده از غربال ملکولی: در این روش از غربال ملکولی برای به دام افتادن مولکول‌های آب و افزایش درصد اتانول استفاده می‌شود.
استفاده از پمپ خلا: در این روش با کاهش فشار نقطه‌ی آزئوتروپ شکسته شده و الکل خالص به‌دست می‌آید.
روش تقطیر غشایی: در این روش با استفاده از تقطیر غشایی الکل 99.96 حاصل می‌شود.

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

گاز طبيعي را از وجود سولفيد هيدروژن هر چند كه مقدار آن كم باشد تصفيه مي كنند، چون مقدار مجاز آن در
لوله ها انتقال حداكثر 20 ميلي گرم در متر مكعب مي باشد.
در اغلب موارد تصفيه گاز را نه تنها براي جداسازي مواد زائد تا حد استاندارد، بلكه به منظور جداسازي مواد
ارزشمند صنعتي از آن انجام مي دهند. به عنوان مثال 30 % توليدات جهاني گوگرد از گازهاي طبيعي غني از سولفيدهيدروژن بدست مي آيد. بعضي از آنها مثل ميدان گازي هارمتن، پانتر- ريور، و باربري در كانادا و مي سي سي پي در آمريكا، ژائو لان گيوانگ در كره شمالي تا 70 % حجمي داراي سولفيد هيدروژن مي باشند.

در حال حاضر بيشترين روش ها، در تصفيه (شيرين سازي) گاز، به 2 گروه عمده ابسورپسيوني و ادسورپسيوني مربوط مي شود تعلق دارند. البته در بين آنها هم بيشترين روش ها در گروه اول جاي مي گيرند. روش ابسورپسيوني- جذب هوشمند مايعات و يا گازها توسط جذب كننده مايع (ابسوربنت)، را مي توان بدون توجبه مقدار اوليه درصد ناخالصي ها بكار گرفت.

روش ادسورپسيوني – جذب هوشمند مايعات و گازها در روزنه هاي جذب كننده 5% حجمي باشد، انجام پذير است. در اين روش تصفيه عميق – جامد (ادسوربنت)، در مواردي كه درصد ناخالصي تا 3 از گاز صورت مي گيرد.

روشهاي ابسورپسيوني

با توجه به خصوصيات ابسوربنت هاي مورد استفاده، به روش هاي: جذب شيميايي، جذب فيزيكي، جذب
تركيبي و اكسيداسيوني (اكسايشي) تقسيم مي شوند.
با تركيبات CO و 2 H2S روش هاي جذب شيميايي (كميسورپشن) 9 بر اساس تاثيرات (واكنش هاي) شيميايي
فعالي (ابسوربنت ها) چون آمين ها (منو، دي، تري و متيل دي اتانول آمين ها، دي ايزوپروپانول آمين) و بازها استوار است.

روش هاي جذب فيزيكي بر پايه حل فيزيكي مواد زائد در ابسوربنت هايي چون گليكول ها (دي و تري اتيلن
متيل پريليدون، تري بوتيل فسفات، سولفولان، متانول و غيره بنا نهاده شده است. – N ،( گليكول
روش هاي جذب تركيبي در استفاده هم زمان هر 2 فرآيند فوق (جذب شيميايي و فيزيكي) خلاصه مي شوند.
يكي از فرآيندهاي جذب تركيبي، فرآيند سولفينول است كه واحدهاي زيادي از آن احداث شده است. در واحدهاي
مدرن ، هم زمان از سولفولان و متيل دي اتانول آمين به عنوان ابسوربنت استفاده مي شود.

به گوگرد عنصري توسط جذب كننده ها H2S روش هاي جذب اكسيداسيوني براساس تبديل بازگشت ناپذير
استوار است. جذب كننده ها در اين روش حاوي كاتاليست هايي اكسيد كننده مي باشند و معمولا به شكل محلول
قليايي – آبي مثل تركيب محلول نمك 2 سديمي اتيلن دي آمين تترااستيك اسيد با كلريدآهن در آب و يا محلول گرم
نمك هاي نشادري فلزات قليايي هستند.

روش هاي ادسورپسيوني

در روزنه هاي جذب كننده جامد مثل كربن فعال و CO و H2S ، همانطور كه قبلا اشاره شد در اين روش ها يا زئوليت هاي سنتزي جذب مي شوند.

انتخاب هر كدام از اين روش ها مستلزم در نظر گرفتن فاكتورهاي مختلفي چون حد غلظت اوليه ونهاييH2S,CO2 موارد مصرف گاز تصفيه شده (در خانه ها، پتروشيمي و يا سوخت ماشين)، يا استفاده اقتصادي از يك جذب  كننده و غيره بستگي دارد ولي اساسي ترين آنها شامل غلظتCO2 ، و تركيبات گوگرددار آلي در گاز اوليه میباشد.

در زماني كه تركيبات اسيدي داراي فشار بخار بالايي در گاز باشند، بهتر است از روش هاي ابسوپشني بر پايه عدم جذب و يا جذب محدود هيدروكربن ها استفاده نمود كه شرط آن، حذف هيدروكربن هاي سنگين در مراحل اوليه میباشد.

در كل روش هاي جذب شيميايي و تركيبي در زماني استفاده مي شوند كه فشار بخار تركيبات اسيدي، بالا و يامتوسط باشند. در حال حاضر در مواقعي كه فشار بخار اين تركيبات كم باشد از روش هاي اكسيداسيوني استفاده میکنند.

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

يكي از انواع روش هاي جداسازي، روش فيلتر الكترواستاتيكي مي باشد. نشست ذرات مايع و جامد در سيستم پراكندگي در ميدان الكتريكي، اجازه تصفيه موثر گاز از ذرات خيلي كوچك را مي دهد. اساس اين روش، يونيزاسيون گاز توسط بارهاي الكتريكي مي باشد.

اگر گاز داراي بارهاي آزاد (الكترون ها و يون ها) از بين دو الكترود كه ايجاد ميدان الكتريكي متوالي مي كنند عبور داده شوند، بارهاي آزاد در مدارهاي ميدان به حركت در مي آيند.كه سرعت حركت و سينتيك انرژي آن را شدت ميدان آن تعيين مي كند. در هنگام افزايش اختلاف پتانسيل تا ده ها كيلوولت، سينتيك انرژي الكترون ها و يون هاي آزاد، براي برخورد با مولكول هاي گاز خنثي نيز كافي مي باشند. آنها را به يونها و الكترون هاي آزاد تبديل مي كنند. اين ذرات باردار تازه متولد شده نيز ، گازهاي ديگر را باردار مي كنند.

یونیزاسیون ضربه ای:

در نتيجه تشكيل يون ها، تمام گاز به شكل بهمن گونه اي يونيزه مي شوند. يونيزاسيون گاز به اين روش را، “يونيزاسيون ضربه اي” مي گويند. در ادامه، افزايش شدت ميدان باعث بوجود آمدن توقف الكتريكي و يا اتصال كوتاه الكترودها مي شود.
براي جلوگيري از اين امر از 2 الكترود غير هم جنس استفاده مي كنند. به عنوان مثال، يك الكترود را به صورت سيم باريك، و الكترود ديگر را، يا به صورت لوله اي كه الكترود اول را احاطه كرده و يا به صورت صفحات الكتريكي نزديك الكترود اول مي سازند. اشكالي از اين الكترودها را مشاهده مي كنيد. 

روش کار:

در اين حالت، بيشترين شدت ميدان در اطراف سيم است و هر چه به طرف لوله نزديكتر شود از شدت آن
كاسته مي شود. شرايط براي توقف و يا اتصال كوتاه الكتريكي از بين مي رود. بين 2 الكترود، در شدت جرياني كه باعث يونيزه شدن تمام گاز شود، تاج الكتريكي بوجود مي آيد و تاجي نوراني در اطراف سيم بوجود مي آيد (اثر
كريليان 1949 م. – تمام اجسامي كه در يك ميدان شديد مغناطيسي و يا الكتريكي قرار مي گيرند از خود نور ساطع
مي كنند. هر چه جسم انرژي بيشتري داشته باشد، نور متصاعد شده از آن بيشتر است). بنابراين اين الكترودها را تاجدارشده و الكترودهاي مقابل (لوله و يا صفحه) را رسوب گير مي نامند.

صفحات رسوب گير را به قطب مثبت و سيم هاي تاجدار را به قطب منفي جريان الكتريكي متصل مي كنند.
بدين صورت استفاده از شدت ميدان شديدتر را بدون هيچ مشكلي مهيا مي كنند.

يون هاي مثبت كه در اطراف تاج بوجود آمده اند به طرف الكترود تاجدار حركت كرده و در برخورد با آن از
بار الكتريكي خالي مي شوند. يون هاي منفي و يون هاي آزاد از طرف الكترود تاجدار حركت كرده، در مسير حركت خود با ذرات جامد و مايع برخورد نموده و آنها را نيز هم بار خود كرده و به طرف صفحات رسوب گيرميبرد.درنتيجه ذرات پراكنده در رسوب گير نشست مي كنند. البته مقدار خيلي كمي از ذرات پراكندگي كه با يون هاي مثبت در ناحيه تاج (در ناحيه اي كمتر از فضاي بين الكتروني) برخورد مي كنند، در سيم هاي تاجدار رسوب مي كنند. 

توان مورد نیاز:

توان تصفيه گاز در اين فيلترهاي الكتريكي، بيشتر به خواص رسانايي و چسبندگي (پيوستگي) ذرات غبار
بستگي دارد. هر چه ذرات جامد، هادي الكتريكي خوب و نيروي پيوستگي كم باشند، به الكترود برخورد كرده و بارخود را تخليه مي كنند و دوباره وارد جريان شده و توان تصفيه را كم مي كنند. بر عكس، اگر ذرات داراي رسانايي بد ونيروي پيوستگي بالايي باشند، در اين صورت در اطراف الكترود، لايه ضخيمي از ذرات با بار منفي چسبيده و ضد ميدان الكتريكي عمل مي كنند. در لايه هاي ضخيم، شدت جريان در روزنه هاي آن مي تواند تا حد بحراني برسد و باعث بوجود آمدن تاج در صفحات رسوب گير شود (تاج معكوس). اين پديده نيز باعث افت توان تصفيه مي شود. براي جلوگيري از اين پديده بايد اين صفحات مرتبا از رسوب پاك شوند.

الكتروفيلترهاي صفحه اي فشرده تر (جمع و جور تر) از نوع لوله اي آن مي باشد و جداسازي ذرات غبار در
آنها بهتر صورت مي گيرد. الكتروفيلترهاي لوله اي، توان ايجاد شدت جريان بيشتري را دارند.در نتيجه در آنها مقدار بيشتري گاز را مي توان تصفيه كرد. بعلاوه سيستم هاي پراكندگي پايدارتر و همچنين مه مانند را بهتر تصفيه مي كنند.
در شرايط عادي توان تصفيه الكتروفيلترها، به عواملي مثل: خواص گاز (تركيبات شيميايي، دما، رطوبت)،
خواص ذرات جامد غبار (خواص الكتريكي، شيميايي و پراكندگي)، غلظت غبارها، سرعت گاز و غيره بستگي دارد. درحقيقت اين پديده ها به قدري زيادند كه با روش هاي تئوري نمي توان توان تصفيه را بدست آورد و فقط از راه هاي تجربي حاصل مي شوند.

پردیس فناوری کیش_طرح مشاوره متخصصین صنعت و مدیریت_گروه مهندسی شیمی

گاز طبيعي هنگام خروج از چاه، داراي قطرات مايع (ميعانات و آب) و ذرات كوچك شن و ماسه است. در
حقيقت گاز سيستم پراكندگي محسوب مي شود با فاز پراگندگي مايع و جامد.
منظور از آماده سازي گاز در پالايش، جداسازي فازهاي پراكندگي با استفاده از جداسازهاي مختلف مي باشد.
ويژگي اين مرحله در تغيير اندازه قطره رطوبتي و ذرات جامد (حالت پراكندگي) در جريان و ادامه مسير در
جداسازي مي باشد. چنانچه در محدوده ورودي، اندازه قطره در جريان، از 100 تا 1000 ميكرون (ميانگين معمولي آن از 700 الي 800 ميكرون) نوسان دارد و ممكن است كه ايجاد فيلم مايع كند. بعد از اولين مرحله جداسازي بايد فقط مايعاتي با قطر 30 الي 150 ميكرون باقي بمانند و پس از پايان دومين مرحله در گاز قطراتي با قطر 1 تا30-50میکرون وجود دارند. كه اين اندازه بستگي به نوع جداساز دارد.

هنگام خروج گاز از مرحله آماده سازي اوليه، مجموع مقدار فاز پراكندگي مايع نبايد از 350 ميلي گرم در مترمكعب گاز بيشتر باشد.

مطابق درخواست ميزان تصفيه و تركيب پراكندگي گاز، از دستگاه هاي جداساز با اثر (افكت) و تركيب وساختمان مختلف استفاده مي كنند. جداسازها طبق نحوه عملكردشان به گرانشي، لختي (اينرسيايي) يا پرشده، گريز مركز و فيلتري تقسيم مي شوند. در بيشتر مواقع براي اثر بهتر در ساختمان جداساز چند نوع از آنها را به هم متصل و يا ادغام مي كنند.

جداسازهاي گرانشي:

جداسازهاي گرانشي داراي انواع افقي، عمودي و كروي مي باشند.بخش مشترك آنهاوجود قسمت (يا مخزن) ته نشيني است كه در آن جداسازي ذرات پراكندگي تحت تاثير نيروي جاذبه و سرعت ته نشيني ذرات جامد در گاز 
 صورت مي گيرد. 

 جداسازهاي اينرسيايي:

از نظر ساختاري داراي انواع مختلف مي باشد اما بيشترين استفاده از 2 نوع پرشده و كركره اي مي شود. اساسكار آن بر پايه برخورد غير منتظره گاز با جسم سخت و چرخش ناگهاني و متعدد مي باشد. سطح محسوس تماس دراين جداسازها، از 10 الي 500 متر مربع در متر مكعب متغير است.
در نمونه پرشده از اجزايي مثل حلقه راشيگ، و سوزني استفاده مي شود. درصد رطوبت گيري اين جداسازها به
%99 هم مي رسد. در نمونه هاي كركره اي از پكيج هايي با صفحات موج دار فولادي كه به صورت افقي با قدم كوتاه نسبت به هم قرار گرفته اند، استفاده مي شود. اين كركره ها قادر به تله انداختن قطرات بزرگ تر از 20 ميكرون و قادر به تصفيه 6 ميليون متر مكعب گاز در شبانه روز مي باشد.

يكي از ويژگي هاي اين جداسازها ايجاد فيلم از مواد جامد و مايع در مقابل جريان گاز مي باشد. در سرعت
جريان بخصوصي، مي تواند لحظه اي ايجاد شود كه سرعت گاز به خاطر نيروي اصطحكاك جلوي جريان اين فيلم را بگيرد. بدين ترتيب در حركت مايع و كار دستگاه لحظه اي ايجاد مي شود كه اصطلاحا به آن غرق شدن مي گويند.

 سرعتي از گاز كه چنين پديده اي ايجاد مي شود را “سرعت بحراني” مي نامند .

جداسازهای غربالی:

جداسازهاي غربالي هم از نظر ساختماني مشابه كركره اي مي باشند با اين تفاوت كه به جاي كركره از يك سري پكيج توري دار با ضخامت 150 ميلي متر استفاده مي كنند. در اين پكيج هاي قطره گير، قطراتي از 5 الي 10ميكرون و بزرگ تر از آن جمع آوري مي شوند. بنابراين تاثير آن بهتر از نمونه كركره اي مي باشد و سرعت بحراني در 2 برابر بيشتر است. معمولا اين جداساز ها را در آخرين مرحله تصفيه استفاده كرده و در ساختار جداسازها /0 – 1/ آن 5 در انتهاي دستگاه (از نظر جريان خروجي) قرار مي دهند.