برج تقطیر Distillation Tower یکی از مهم‌ترین تجهیزات در صنایع شیمیایی، نفت و گاز و پتروشیمی است که برای جداسازی اجزای یک مخلوط مایع بر اساس تفاوت در نقطه جوش آن‌ها استفاده می‌شود. این فناوری که ریشه در تاریخ علم و صنعت دارد، امروزه به یکی از ستون‌های اصلی فرآیندهای صنعتی تبدیل شده است. از پالایش نفت خام برای تولید بنزین و گازوئیل گرفته تا تولید الکل و مواد شیمیایی خالص، برج تقطیر نقش کلیدی در تأمین نیازهای مدرن ایفا می‌کند.
تقطیر یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین روش‌های جداسازی است که بر اساس توزیع اجزا بین دو فاز مایع و گاز انجام می‌شود. در واقع، تقطیر یکی از رایج‌ترین راه‌ها برای جداسازی مواد از یکدیگر به دلیل تفاوت در نقطه جوش آن‌هاست. تقطیر یک فرآیند فیزیکی برای جداسازی موادی با دمای جوش متفاوت است.
برج تقطیر چیست؟
برج تقطیر دستگاهی است که برای جداسازی اجزای یک مخلوط مایع از طریق فرآیند تقطیر طراحی شده است. این فرآیند بر اساس تفاوت در فشار بخار یا نقطه جوش اجزای مخلوط عمل می‌کند: مایعی که نقطه جوش پایین‌تری دارد، زودتر تبخیر شده و از مایع با نقطه جوش بالاتر جدا می‌شود. برج تقطیر معمولاً یک سازه عمودی است که در آن بخار و مایع در تماس مداوم با یکدیگر قرار می‌گیرند تا جداسازی بهینه انجام شود. برج تقطیر سیستمی است که با استفاده از انتقال جرم و حرارت، امکان جداسازی اجزای یک مخلوط را در مقیاس صنعتی فراهم می‌کند.
برج تقطیر در دوران باستان
تقطیر به‌عنوان یک روش جداسازی از دوران باستان شناخته شده بود. در قرن اول میلادی، شیمیدانان یونانی مانند زوسیموس از دستگاه‌های ساده تقطیر (آلمبیک) برای تولید عطر و مواد دارویی استفاده می‌کردند. در قرون وسطی، دانشمندان اسلامی مانند جابر بن حیان این فناوری را بهبود بخشیدند و از آن برای تولید الکل و اسانس‌ها بهره بردند. با این حال، برج تقطیر مدرن با انقلاب صنعتی و نیاز به پالایش نفت در قرن نوزدهم شکل گرفت. در سال 1830، آنئاس کافی (Aeneas Coffey) برج تقطیر پیوسته را اختراع کرد که امکان تولید مداوم را فراهم کرد. این اختراع نقطه عطفی در صنعت پالایش و تقطیر صنعتی بود و تا امروز اساس طراحی برج‌های تقطیر صنعتی را تشکیل می‌دهد.
اصول عملکرد برج تقطیر
فرآیند تقطیر در برج بر اساس دو اصل اساسی عمل می‌کند: تبخیر و میعان. مراحل اصلی عملکرد به شرح زیر است:
- ورود خوراک: مخلوط مایع (خوراک) وارد برج می‌شود و معمولاً در بخش میانی قرار می‌گیرد.
- گرمایش: در پایین برج (Reboiler)، مایع گرم شده و بخشی از آن تبخیر می‌شود. بخار به سمت بالا حرکت می‌کند.
- تماس بخار و مایع: در داخل برج، بخار با مایع در حال ریزش (Reflux) تماس پیدا می‌کند. این تعامل در سینی‌ها (Trays) یا پرکن‌ها (Packing) رخ می‌دهد و باعث تبادل جرم می‌شود.
- جداسازی: اجزای سبک‌تر (با نقطه جوش پایین) به بالای برج می‌روند و اجزای سنگین‌تر (با نقطه جوش بالا) در پایین باقی می‌مانند.
- خروجی محصولات: بخار سبک در بالای برج سرد شده (Condenser) و به مایع تبدیل می‌شود (محصول سبک)، در حالی که مایع سنگین از پایین برج خارج می‌شود (محصول سنگین).
کارایی برج تقطیر به تعادل بین انتقال حرارت و جرم بستگی دارد که توسط طراحی سینی‌ها یا پرکن‌ها تعیین می‌شود.
انواع برج تقطیر
برج‌های تقطیر بر اساس طراحی و کاربرد به چند دسته تقسیم می‌شوند:
- برج تقطیر سینی‌دار (Tray Tower): از سینی‌های فلزی برای تماس بخار و مایع استفاده می‌کند. مناسب برای جداسازی با ظرفیت بالا
- برج تقطیر پرشده (Packed Tower): با مواد پرکن (مانند حلقه‌های راشینگ) پر شده و برای جداسازی در مقیاس کوچک‌تر یا مواد خورنده مناسب است
- برج تقطیر پیوسته (Continuous Distillation): برای تولید مداوم، مانند پالایش نفت، طراحی شده است
- برج تقطیر ناپیوسته (Batch Distillation): برای تولید محدود و انعطاف‌پذیر، مانند صنایع دارویی، استفاده می‌شود
- برج تقطیر خلأ (Vacuum Distillation): با کاهش فشار، نقطه جوش را پایین می‌آورد و برای مواد حساس به حرارت مناسب است
اجزای اصلی برج تقطیر
یک برج تقطیر از بخش‌های زیر تشکیل شده است:
- بدنه برج: سازه اصلی که معمولاً از فولاد ضدزنگ یا آلیاژهای مقاوم ساخته می‌شود.
- سینی‌ها یا پرکن‌ها: برای افزایش سطح تماس بخار و مایع.
- ریبویلر (Reboiler): منبع گرما در پایین برج برای تبخیر مایع.
- کندانسور (Condenser): در بالای برج برای تبدیل بخار به مایع.
- پمپ‌ها و شیرها: برای کنترل جریان مایع و بخار.
- سیستم رفلاکس (Reflux System): بخشی از مایع متراکم‌شده که به برج بازمی‌گردد تا کارایی جداسازی را افزایش دهد.
برج
به طور کلی، برج‌های مورد استفاده در صنعت برای تقطیر به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
- برج‌های سینی‌دار (Tray Towers)
- برج‌های پرشده (Packed Towers)
برج‌های سینی‌دار
برج‌های سینی‌دار بر اساس نوع سینی‌های مورد استفاده در آن‌ها به ۴ دسته تقسیم می‌شوند:
- برج‌های سینی جت (Jet Tray Towers)
- برج‌های سینی غربالی (Sieve Tray Towers)
- برج‌های کلاهک حبابی (Bubble Cap Towers)
- برج‌های سینی والوی (Valve Tray Towers)
عملکرد برج سینی‌دار
به طور کلی، فرآیندی که در برج سینی‌دار رخ می‌دهد، فرآیند جداسازی مواد است. همان‌طور که ذکر شد، این فرآیند به صورت مستقیم یا غیرمستقیم انجام می‌شود. در فرآیند تقطیر، منبع حرارتی، گرمای لازم برای تقطیر و جداسازی مواد یک محلول را فراهم می‌کند. بخار رو به بالا از برج از بالای برج به سمت پایین حرکت می‌کند و با سینی‌ها تماس مستقیم برقرار می‌کند. این تماس باعث افزایش دمای مایع روی سینی می‌شود و در نهایت دمای مایع به دمای حباب نزدیک می‌شود.
با رسیدن مایع به دمای حباب، اولین ذرات بخار به تدریج تولید می‌شوند که بخاری غنی از مواد فرار (ماده‌ای با نقطه جوش پایین‌تر یا فشار بالاتر) است. از سوی دیگر، در فاز بخار، موادی که نقطه جوش پایین‌تری دارند به مایع تبدیل می‌شوند و در فاز مایع به سمت پایین برج حرکت می‌کنند. مهم‌ترین عملکرد برج، ایجاد نقطه تماس مناسب بین فاز بخار و مایع است. هرچه سطح تماس بالاتر باشد، عملکرد جداسازی بهتر خواهد بود. البته، رژیم جریان سیال روی سینی نیز یکی از عوامل مهم در عملکرد برج است.
برج‌های پرشده
– حاوی قطعاتی به نام پرکننده‌ها (fillers) است.
– فاز مایع از بالا جریان می‌یابد و بخار از پایین وارد برج می‌شود.
– در فرآیندهای جذب و تقطیر استفاده می‌شود.
– برج‌ها به دو روش منظم و نامنظم پر می‌شوند.
ریبویلر
ریبویلرها که معمولاً در انتهای برج و کنار آن قرار دارند، مسئول تأمین گرما یا انرژی برای تقطیر هستند. ریبویلرها به طور کلی به‌عنوان یک مرحله تعادل تقطیر در نظر گرفته می‌شوند و در برج‌های سینی‌دار به‌عنوان سینی محسوب می‌شوند.
کندانسور
نقش کندانسور در واقع تبدیل بخارهای ناشی از فرآیند حرارتی ترکیبی به مایع است. به طور کلی، کندانسورها به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند:
- کندانسور کامل (Total Condenser)
- کندانسور جزئی (Partial Condenser)
اگر تمام بخار بالای برج به مایع تبدیل شود و بخشی از آن به برج بازگردد و بخش دیگر به مخزن جمع‌آوری وارد شود، کندانساسیون کامل انجام می‌شود. اما اگر بخشی از بخارها به مایع تبدیل شود و بخش دیگر به صورت بخار از کندانسور خارج شود، به آن کندانسور جزئی می‌گویند. در کتاب‌های مرجع، راهنمایی برای انتخاب نوع کندانسور با ضرایب انتقال حرارت کندانسور ارائه شده است.
خوراک (Feed)
مخلوطی که به برج وارد می‌شود و ممکن است مایع، گاز یا ترکیبی از مایع و گاز باشد، خوراک نامیده می‌شود. معمولاً محل ورود خوراک در نقطه مشخصی از برج است که از قبل تعیین شده است. در برج‌های سینی‌دار، ناحیه خوراک به‌عنوان سینی خوراک شناخته می‌شود. یکی از ویژگی‌های مهم سینی خوراک، تطابق جزء مورد نظر با خوراک از نظر دما و ترکیب نسبی (کسر مولی) است. نحوه ورود خوراک البته به حالت فیزیکی خوراک بستگی دارد. معمولاً اگر خوراک مایع باشد، همراه با مایعی که از بالای سینی جریان دارد وارد سینی خوراک می‌شود. اگر خوراک بخار باشد، معمولاً از زیر سینی خوراک وارد می‌شود. اگر خوراک ترکیبی از مایع و بخار باشد، بهتر است ابتدا فاز مایع و بخار جدا شوند و سپس به روش گفته‌شده خوراک به برج وارد شود. اما در عمل، برای صرفه‌جویی در هزینه جداسازی دو فاز بخار و مایع، این فرآیند به ندرت انجام می‌شود.
محصولات برج تقطیر
محصولات پالایشگاه به ترتیب از سبک به سنگین عبارتند از:
- گاز مایع
- بنزین
- نفتا
- نفت سفید و سوخت‌های جت مرتبط
- دیزل
- نفت کوره
- روغن‌های نفتی
- موم پارافین
- آسفالت و قیر
- کک نفتی
- گوگرد
کاربردهای برج تقطیر
برج‌های تقطیر در صنایع مختلف نقش حیاتی دارند:
- پالایش نفت: جداسازی نفت خام به بنزین، گازوئیل، kerosene و سایر محصولات
- پتروشیمی: تولید مواد اولیه مانند اتیلن و پروپیلن
- صنایع غذایی: تقطیر الکل برای نوشیدنی‌ها یا سوخت زیستی
- داروسازی: خالص‌سازی حلال‌ها و مواد فعال دارویی
- محیط‌زیست: بازیافت حلال‌ها و جداسازی مواد شیمیایی از پساب‌ها
با وجود کارایی، برج‌های تقطیر با چالش‌هایی مانند هزینه‌های انرژی، تأثیرات زیست‌محیطی و رقابت با فناوری‌های جدید (مانند جداسازی غشایی) مواجه هستند. در آینده، انتظار می‌رود که تمرکز بر پایداری و بهره‌وری انرژی افزایش یابد. طراحی برج‌های مدولار و قابل‌حمل نیز می‌تواند کاربرد آن‌ها را در صنایع کوچک‌تر گسترش دهد. همچنین، ادغام با سیستم‌های دیجیتال و داده‌های کلان (Big Data) امکان پیش‌بینی خرابی‌ها و بهینه‌سازی لحظه‌ای را فراهم خواهد کرد.
برج تقطیر به‌عنوان یکی از مهم‌ترین ابزارهای جداسازی در صنعت، نقشی بی‌بدیل در تولید مواد اولیه و محصولات نهایی دارد. این فناوری با ترکیب اصول علمی و مهندسی، پاسخگوی نیازهای پیچیده صنایع مدرن است. از پالایش نفت تا تولید دارو، برج تقطیر همچنان در حال تکامل است و با نوآوری‌های اخیر، آینده‌ای کارآمدتر و پایدارتر در پیش دارد.
ستون تقطیر چیست؟
ستون تقطیر یا برج، برای جداسازی مخلوط‌های مایع به اجزای جداگانه بر اساس نقاط جوش آن‌ها استفاده می‌شود. مایع گرم می‌شود تا بخار تولید کند، سپس این بخارها با خنک شدن دوباره به شکل مایع متراکم می‌شوند. مایعات سپس در سینی‌ها یا صفحاتی که در ارتفاعات مختلف داخل ستون قرار دارند جمع‌آوری می‌شوند، موقعیت آن‌ها بر اساس نقطه جوش هر جزء جداگانه تعیین می‌شود.
ستون‌های تقطیر در صنایع پتروشیمی، شیمیایی و دارویی برای تصفیه و جداسازی مواد شیمیایی مختلف استفاده می‌شوند. همچنین در تولید نوشیدنی‌های الکلی نیز کاربرد دارند. به گزارش ابرار صنعتی، طراحی و عملکرد خاص یک ستون تقطیر می‌تواند بسته به نوع مخلوط مایع در حال تقطیر و مشخصات محصول مورد نظر به شدت متفاوت باشد.
منبع: ابرار صنعتی
