برج تقطیر خلأ یکی از تجهیزات کلیدی در صنایع پالایش نفت، پتروشیمی و شیمیایی است که برای جداسازی ترکیبات سنگین و حساس به دما با استفاده از فشار کاهش‌یافته طراحی شده است. طبق بررسی ابرار صنعتی، این فناوری امکان تقطیر موادی را فراهم می‌کند که در شرایط عادی به دلیل دمای جوش بالا یا تجزیه حرارتی قابل جداسازی نیستند.
تفاوت برج تقطیر معمولی و برج تقطیر خلأ
برج تقطیر معمولی و برج تقطیر خلأ هر دو برای جداسازی اجزای مخلوط‌های مایع از طریق فرآیند تقطیر طراحی شده‌اند، اما شرایط عملیاتی و اهداف آن‌ها متفاوت است. برج تقطیر معمولی در فشار اتمسفری (حدود 760 میلی‌متر جیوه) کار می‌کند و برای جداسازی ترکیبات سبک‌تر مانند بنزین و نفت سفید استفاده می‌شود. در مقابل، برج تقطیر خلأ در فشار کاهش‌یافته (معمولاً 10 تا 100 میلی‌متر جیوه) عمل می‌کند تا ترکیبات سنگین‌تر مانند گازوئیل خلأ و قیر را جدا کند. این دو برج به‌صورت مکمل در پالایشگاه‌ها عمل می‌کنند: برج معمولی ابتدا مواد سبک را جدا می‌کند و باقی‌مانده سنگین به برج خلأ منتقل می‌شود. این تفاوت در فشار و دما، اساس تمایز این دو فناوری است.
برج تقطیر خلأ چیست؟
برج تقطیر خلأ یک ستون عمودی است که در آن فرآیند تقطیر تحت فشار کمتر از فشار اتمسفری انجام می‌شود. این کاهش فشار باعث می‌شود دمای جوش مواد کاهش یابد، که برای جداسازی ترکیبات سنگین نفتی مانند گازوئیل، روغن‌های روان‌کننده و قیر بسیار حیاتی است. برخلاف تقطیر اتمسفری که در فشار معمولی انجام می‌شود، تقطیر خلأ از تجزیه حرارتی (Cracking) مواد جلوگیری می‌کند و بازده فرآیند را افزایش می‌دهد.
برج تقطیر خلأ به‌عنوان بخشی از فرآیند پالایش نفت خام طراحی شده که پس از تقطیر اتمسفری، باقی‌مانده‌های سنگین (Residue) را به محصولات باارزش تبدیل می‌کند. این برج معمولاً از فولاد ضدزنگ یا آلیاژهای مقاوم در برابر خوردگی ساخته می‌شود و با تجهیزات خلأ مانند پمپ‌ها و اجکتورها پشتیبانی می‌شود.
خاستگاه و تکامل برج تقطیر خلأ
تقطیر به‌عنوان یک روش جداسازی از دوران باستان شناخته شده بود، اما تقطیر خلأ در قرن بیستم و با توسعه صنعت نفت به شکل مدرن خود تکامل یافت. ایده استفاده از خلأ برای کاهش دمای جوش در اواخر قرن نوزدهم مطرح شد، اما کاربرد صنعتی آن در دهه 1920 با پیشرفت پمپ‌های خلأ و نیاز به فرآوری نفت خام سنگین‌تر آغاز شد. برج تقطیر خلأ ابتدا در پالایشگاه‌های آمریکا برای افزایش بازده محصولات سنگین مانند روغن‌های پایه معرفی شد. از آن زمان، این فناوری با بهبود طراحی و مواد، به یکی از ستون‌های اصلی در پالایشگاه‌های مدرن تبدیل شده است.
اصول علمی
عملکرد برج تقطیر خلأ بر پایه قوانین ترمودینامیک و رفتار فازی مواد است.
کاهش فشار و دمای جوش
طبق قانون رائولت (Raoult’s Law) و رابطه کلازیوس-کلاپیرون (Clausius-Clapeyron Equation)، کاهش فشار محیط باعث کاهش دمای جوش مایعات می‌شود. در برج خلأ، فشار به‌طور معمول بین 10 تا 100 میلی‌متر جیوه (mmHg) تنظیم می‌شود که دمای جوش را تا 150-200 درجه سانتی‌گراد پایین می‌آورد.
جداسازی بر اساس فراریت
ترکیبات سنگین با نقاط جوش متفاوت در برج به‌صورت لایه‌ای جدا می‌شوند. بخارات سبک‌تر به سمت بالای برج حرکت می‌کنند و مواد سنگین‌تر در پایین باقی می‌مانند.
انتقال حرارت و جرم
سینی‌ها (Trays) یا پرکن‌ها (Packing) درون برج، سطح تماس بین فاز مایع و بخار را افزایش می‌دهند و انتقال جرم و حرارت را بهینه می‌کنند.
طراحی مهندسی برج تقطیر خلأ
طراحی برج تقطیر خلأ یک فرآیند پیچیده است که نیازمند در نظر گرفتن چندین پارامتر است. برج معمولاً استوانه‌ای با ارتفاع 20 تا 50 متر است و از فولاد ضدزنگ یا آلیاژهای نیکل‌دار ساخته می‌شود تا در برابر خوردگی ناشی از ترکیبات گوگردی مقاوم باشد. سینی‌ها یا پرکن‌ها، کندانسورها و ری‌بویلرها (Reboilers) از اجزای اصلی آن هستند. پمپ‌های خلأ مکانیکی یا اجکتورهای بخار برای ایجاد فشار پایین استفاده می‌شوند. انتخاب سیستم خلأ به ظرفیت برج و نوع خوراک بستگی دارد.
عایق‌بندی و کنترل دما
برج‌ها با عایق‌های حرارتی پوشانده می‌شوند تا از اتلاف گرما جلوگیری شود و دما با استفاده از بخار یا روغن داغ کنترل می‌شود.
فرآیند عملیاتی برج تقطیر خلأ
فرآیند تقطیر خلأ شامل چند مرحله کلیدی است:
1. ورود خوراک
باقی‌مانده تقطیر اتمسفری (Atmospheric Residue) به‌عنوان خوراک وارد برج می‌شود و در کوره پیش‌گرمایش تا دمای 350-400 درجه سانتی‌گراد گرم می‌شود.
2. تبخیر و جداسازی
در فشار خلأ، خوراک تبخیر شده و بخارات به سمت بالای برج حرکت می‌کنند. محصولات سبک‌تر (مانند گازوئیل خلأ) در سینی‌های بالا و مواد سنگین‌تر (مانند قیر) در پایین جمع‌آوری می‌شوند.
3. خنک‌سازی و جمع‌آوری
بخارات با کندانسورها خنک شده و به مایع تبدیل می‌شوند، سپس از طریق خطوط خروجی جمع‌آوری می‌گردند. بر اساس تحقیقات منتشرشده در Chemical Engineering Science، راندمان این فرآیند به طراحی سینی‌ها، دمای خوراک و سطح خلأ بستگی دارد.
نقش برج تقطیر خلأ در صنایع
برج خلأ در بسیاری از صنایع حیاتی است. برای تولید گازوئیل خلأ، روغن‌های روان‌کننده و قیر استفاده می‌شود. این برج بازده پالایشگاه را تا 20 درصد افزایش می‌دهد. در تولید مواد اولیه مانند وکیوم بتوم (Vacuum Bottom) برای واحدهای کرکینگ به کار می‌رود. برای جداسازی ترکیبات حساس به دما مانند اسیدهای چرب یا پلیمرها استفاده می‌شود.
برج تقطیر خلأ، شاهکار مهندسی شیمی
تقطیر خلأ با توانایی جداسازی ترکیبات سنگین در شرایط خلأ، یکی از مهم‌ترین تجهیزات در صنایع نفت و پتروشیمی است. این فناوری با کاهش دمای جوش و افزایش بازده، نقش کلیدی در تبدیل مواد خام به محصولات باارزش ایفا می‌کند. با وجود چالش‌هایی مانند هزینه و پیچیدگی، نوآوری‌های اخیر نشان می‌دهد که این برج همچنان در حال تکامل است و در آینده نیز جایگاه خود را حفظ خواهد کرد.
استفاده از مواد مقاوم‌تر مانند آلیاژهای کروم-مولیبدن، عمر مفید برج تقطیر را افزایش داده است. همچنین، سیستم‌های کنترل هوشمند با حسگرهای پیشرفته، دقت فرآیند را بهبود بخشیده‌اند. فناوری‌های جدید مانند تقطیر خلأ با غشاء (Membrane Vacuum Distillation) در حال توسعه است که مصرف انرژی را کاهش می‌دهد.
سوالات متداول
1. برج تقطیر خلأ چه تفاوتی با تقطیر اتمسفری دارد؟
برج خلأ در فشار پایین‌تر از اتمسفر کار می‌کند تا دمای جوش مواد را کاهش دهد و از تجزیه حرارتی جلوگیری کند، در حالی که تقطیر اتمسفری در فشار معمولی انجام می‌شود و برای مواد سبک‌تر مناسب است.
2. چرا از خلأ در این برج استفاده می‌شود؟
خلأ دمای جوش ترکیبات سنگین را کاهش می‌دهد و از تخریب آن‌ها در دماهای بالا جلوگیری می‌کند. این امر به‌ویژه برای موادی مانند روغن‌های سنگین یا قیر مهم است که در دماهای بالا تجزیه می‌شوند.
3. چه محصولاتی از برج تقطیر خلأ به دست می‌آید؟
محصولاتی مانند گازوئیل خلأ (Vacuum Gas Oil)، روغن‌های روان‌کننده، و وکیوم بتوم (Vacuum Bottom) که ماده اولیه واحدهای کرکینگ است، از این برج تولید می‌شوند. برج تقطیر خلأ عمدتاً برای مواد سنگین با دمای جوش بالا طراحی شده است. برای مواد سبک‌تر مانند بنزین، تقطیر اتمسفری کارایی بیشتری دارد. این برج همچنین برای موادی که در خلأ پایدار نیستند، مناسب نیست.
منبع: ابرار صنعتی
