برج تقطیر یک واحد فرآیند در صنایع شیمیایی است که برای جداسازی مواد یا ترکیبات مختلف از یک مخلوط مایع استفاده می‌شود. این فرآیند بر اساس تفاوت در نقطه جوش مولکول‌های مختلف عمل می‌کند. در یک برج تقطیر، مخلوط مایع در یک کوره گرم می‌شود تا به حالت بخار برسد. این بخار سپس به برج تقطیر منتقل می‌شود. این دستگاه شامل یک ستون عمودی است که دارای صفحات یا ظرف‌های فرعی می‌باشد. شرکت دانش بنیان پترو صنعت تاراز، طراح و سازنده انواع برج های تقطیر می باشد.
هنگامی که بخار وارد برج می‌شود، بخار با دمای بیشتر به بالای برج می‌رود و بخار با دمای کمتر در پایین برج می‌ماند. این امر باعث می‌شود تا مولکول‌ها با نقطه جوش بالاتر در پایین برج و مولکول‌ها با نقطه جوش پایین‌تر در بالای برج جمع شوند. از این فرآیند در صنایع مختلفی مانند تصفیه و بازیافت روغن سوخته، پالایش نفت، تولید الکل، و تصفیه آب استفاده می‌شود. برج تقطیر اجازه می‌دهد تا مواد با نقطه‌های جوش متفاوت را از یک مخلوط جدا کنیم، که این امر در بسیاری از فرآیندهای صنعتی ضروری است.
محصولاتی که با استفاده از برج تقطیر قابل تولید هستند
استفاده از برج تقطیر در صنایع مختلف امکان تولید محصولات متنوعی را فراهم می‌کند. برج تقطیر، دستگاهیست است که در صنایع مختلف برای تجزیه و تمیز کردن مخلوط های گازی و مایعی استفاده می‌شود و یکی از اجزای مهم در واحدهای پالایشگاهی نفت و گاز می‌باشد. این دستگاه از طریق اصل تقطیر مایعاتی را با دمای بالا تجزیه می‌کند تا ترکیبات مختلفی که در آنها وجود دارند، جدا شوند.
این فرآیند بر اساس نقطه جوش مواد مختلف استوار است. با اعمال حرارت به مخلوط، ترکیبات با درجات جوش مختلف بخار شده و در بالاترین نقطه برج تقطیر جمع آوری می‌شوند. سپس با خنک کردن و تمام شدن بخارها، ترکیبات مختلف در قالب مایعات مجزا جدا می‌شوند و استخراج می‌شوند.
| عنوان صنعت | محصولاتی که با برج تقطیر تولید می شوند |
| پالایش و فرآوری نفت و گاز | بنزین، گازوئیل، نفت سفید، قیر |
| صنایع پتروشیمی | ، تولید الکل، لاستیک‌سازی، مواد اولیه پلیمرها |
| صنایع غذایی | تولید الکل خالص برای مواد غذایی و مشروبات الکلی |
| صنایع شیمیایی | آمونیاک، متانول، اتیلن، استیرن |
| داروسازی | تجزیه و تمیز کردن مخلوط‌های دارویی و جداسازی مواد مختلف |
اصول طراحی و محاسبات مورد نیاز
برج تقطیر ممکن است به صورت تقطیر مواد مایع (مانند نفت خام)، تقطیر مواد گازی (مانند هیدروکربن‌های گازی) یا تقطیر ترکیبی (مایع و گاز) طراحی شود. نوع تقطیر تعیین کننده اصلی عملکرد و ساختار برج است. ارتفاع برج تقطیر می‌تواند متغیر باشد و بسته به نوع مواد و فرآیند تقطیر، تعیین می‌شود. ارتفاع برج می‌تواند تأثیر زیادی بر کارایی جداسازی داشته باشد. قطر آن نیز بسته به حجم مواد و فرآیند تقطیر مورد استفاده قابل تعیین است. قطر برج باید به طور کافی بزرگ باشد تا جریان مواد به طور مطلوب صورت گیرد. در طراحی برج تقطیر، قطر ستون با افزایش ارتفاع کاهش می‌یابد.
| محاسبات مورد نیاز برای طراحی و مدل سازی برج تقطیر |
| محاسبه خواص فیزیکی و شیمیایی مواد را با استفاده از معادلات حالت (مانند معادله واندروالس، معادله رشتون و غیره) |
| محاسبه تبادل حرارتی درون برج و استفاده از معادلات حرارتی مانند قانون انتقال حرارت، معادله حاکم بر تبادل حرارتی |
| مدل سازی جریان جرمی درون برج و استفاده از معادلات مربوطه مانند معادله حفظ جرم، معادله بیلان، معادله دیفرانسیل |
| مدل سازی رفتار جریان سیال درون برج و استفاده از معادلات هیدرودینامیکی مانند معادله ناویر-استوکس، معادله برنولی |
| مدل سازی ترمودینامیک فرآیند تقطیر و استفاده از معادلات ترمودینامیکی مانند معادله دومین قانون ترمودینامیک، معادله حالت‌های تقریبی |
| محاسبه ارتفاع برج و تعیین تعداد ستون‌ها و سایر اجزای برج تقطیر بر اساس بار شیمیایی و نقطه غلیان و تقطیر مورد نظر |
| محاسبه جریان‌های جرمی و حرارتی و تعیین نرخ تقطیر و نرخ جرمی در ستون‌ها |
| محاسبه معامله حرارتی درون برج، شامل محاسبه تبادل حرارتی در ستون‌ها و محاسبه ضریب انتقال حرارت بین جریان‌های مختلف |
| محاسبه شدت جریان‌ها، سرعت و فشار درون برج و محاسبه کاهش فشار در طول برج |
| محاسبه معامله جرمی درون برج، شامل محاسبه معامله جرمی در ستون‌ها و محاسبه ضریب انتقال جرم بین جریان‌های مختلف |
| محاسبه نیروها و مومنت‌های عملکردی برج تقطیر و اجزای آن، شامل محاسبه نیروهای وارده به ستون‌ها، تیرها و میله‌ها، و محاسبه مقاومت‌ها و استحکام‌های مورد نیاز |
| محاسبه میزان مصرف انرژی و بهره‌وری برج تقطیر |
ارتفاع و قطر ستون
با افزایش ارتفاع ستون تقطیر، سرعت جریان گاز در داخل ستون کاهش می‌یابد. این کاهش سرعت باعث کاهش میزان خوردگی و فشار از دیواره‌های ستون می‌شود. بنابراین، با کاهش سرعت گاز، نیاز به قطر بزرگتر برای جلوگیری از خوردگی و فشار نیست. با کاهش قطر ستون تقطیر، زمان تماس بین فازهای گاز و مایع بیشتر می‌شود. این زمان بیشتر به معنای افزایش زمان برای انجام جداسازی و تقطیر موثرتر است. با افزایش زمان تماس، امکان تبادل جرم و حرارت بین فازهای گاز و مایع بهبود می‌یابد و جداسازی بهتری اتفاق می‌افتد.
قطر بزرگتر ستون تقطیر نیاز به مواد ساخت بیشتری دارد و در نتیجه هزینه ساخت بالاتر خواهد بود. با کاهش قطر ستون برای ارتفاع‌های بلندتر، هزینه ساخت کاهش می‌یابد. در نتیجه، با افزایش ارتفاع برج تقطیر، قطر ستون کاهش می‌یابد تا بهینه‌ترین شرایط جداسازی و تقطیر را فراهم کند و همچنین هزینه‌های ساخت را کاهش دهد.
پکینگ‌ها یا بسترهای داخلی برج تقطیر می‌توانند از انواع مختلفی مانند توپچه‌ها، صفحات، ورق‌ها و چاپک‌ها تشکیل شوند. انتخاب و طراحی صحیح پکینگ می‌تواند اثر بزرگی در کارایی جداسازی داشته باشد. برای عملکرد بهینه برج تقطیر، سیستمی برای گرمایش و خنکایش مواد باید وجود داشته باشد. این شامل استفاده از گرمایش بخار، سیستم‌های خنک کننده و سایر وسایل مربوط به مدیریت حرارتی است.
اتوماسیون و سیستم های کنترلی
یک سیستم کنترل و نظارت قوی برای برج تقطیر بسیار حائز اهمیت است. این شامل سنسورها، کنترلرها، صفحه‌نمایش، سیستم‌های اتوماسیون و سایر وسایل مربوط به کنترل و نظارت بر فرآیند تقطیر است. در طراحی برج تقطیر، نکات مربوط به ایمنی و آتش‌نشانی بسیار مهم هستند. برج باید به طور مطلوب طراحی شده و تجهیزات ضد حریق و ایمنی برای مقابله با هرگونه خطر و حوادث فراهم شوند.
با استفاده از PLC در هوشمندسازی برج تقطیر، می‌توانید عملکرد سیستم را بهبود بخشیده و بهره‌وری را افزایش دهید. PLC قابلیت برنامه‌ریزی و پیکربندی پذیری بالایی دارد، بنابراین می‌توانید برنامه‌هایی را برای کنترل و مدیریت دقیق فرآیند تقطیر براساس نیازهای خاص خود ایجاد کنید. استفاده از PLC در اتوماسیون صنعتی و هوشمندسازی برج تقطیر، منجر به بهبود کنترل و نظارت بر فرآیند تقطیر، افزایش بهره‌وری، کاهش خطاها و بهبود کیفیت محصول می‌شود. PLC قابلیت اتصال به تجهیزات مختلف و اجزای سیستم را دارد و به عنوان یک مغز مرکزی برای کنترل و مدیریت متدهای تقطیر عمل می‌کند.
| هوشمند سازی برج تقطیر به کمک PLC | |
| عنوان | عملکرد |
| کنترل جریان و فشار | اطلاعاتی در مورد جریان و فشار درون برج را جمع‌آوری کند و با توجه به پارامترهای تعیین شده، عملکرد سیستم را کنترل کند. می‌تواند سوییچ‌ها و ولوها را به طور خودکار کنترل کند تا جریان و فشار را بهینه کند |
| کنترل دما | دماهای مختلف در برج را نظارت کرده و با تنظیم سیستم گرمایش و سرمایش، دمای مطلوب را حفظ کند. این بهبود کیفیت و بهره‌وری فرآیند تقطیر را تضمین می‌کند |
| کنترل سطح مایعات | استفاده از سنسورها و تجهیزات مربوطه، PLC را قادر می‌سازد تا سطح مایعات مختلف در برج را کنترل کند. می‌تواند پمپ‌ها و سوییچ‌ها را براساس سطح مایعات فعلی کنترل کند و از بروز مشکلات مربوط به سطح مایعات جلوگیری کند |
| جمع‌آوری داده‌ها و نظارت | اطلاعات مربوط به عملکرد برج تقطیر را جمع‌آوری و ذخیره کند. این اطلاعات قابل استفاده برای تجزیه و تحلیل عملکرد، پیش‌بینی خطاها و بهبود فرآیند است. |
| ارتباطات | با سایر سیستم‌ها و تجهیزات در برج تقطیر ارتبلاعاتی را تبادل کند. می‌تواند به عنوان یک واسط بین سیستم‌های مختلف عمل کرده و ارتباطات بین آنها را مدیریت کند. |
بهینه‌سازی انرژی نیز یکی از ملاحظات مهم در طراحی برج تقطیر است. برای کاهش مصرف انرژی، می‌توان از تکنولوژی‌ها و روش‌های بهینه‌سازی مثل استفاده از تبادل حرارتی مؤثر، بهینه‌سازی جریان‌ها و استفاده از سیستم‌های بازیافت انرژی استفاده کرد. در انتخاب مواد ساخت برج تقطیر، عوامل مهمی مانند خواص فیزیکی و شیمیایی، مقاومت در برابر خوردگی و حرارت، مقاومت مکانیکی و همچنین هزینه باید مدنظر قرار گیرند.
سیستم پکینگ
در برج تقطیر، پکینگ به سیستمی اشاره دارد که برای افزایش مساحت تماس بین فازهای مختلف یک فرآیند تقطیر استفاده می‌شود. این سیستم شامل ساختارهای داخلی برج است که جریان مخلوط مواد را به طور موثری از فاز گاز به فاز مایع یا بالعکس هدایت می‌کند. هدف اصلی پکینگ در برج تقطیر، افزایش تماس بین فازهای مختلف و جداسازی بهینه مواد است.
پکینگ‌ها معمولاً از موادی مانند توپچه‌ها، صفحات، ورق‌ها، چاپک‌ها و سایر ساختارهای داخلی تشکیل شده‌اند. این ساختارها به صورت مشبک، منجر به ایجاد سطح بزرگتری برای تماس بین گاز و مایع می‌شوند و در نتیجه، جداسازی و تمیزکاری بهتری را امکان پذیر می‌سازند. طراحی پکینگ‌ها بستگی به ویژگی‌های مخلوط مواد و هدف فرآیند تقطیر دارد. انتخاب پکینگ مناسب برای برج تقطیر، به افزایش کارایی جداسازی، کاهش ضایعات و بهبود عملکرد کلی فرآیند کمک می‌کند.
با توجه به نوع برج تقطیر و فرآیند مورد استفاده، می‌توان انواع مختلفی از پکینگ‌ها را استفاده کرد. برخی از مهم‌ترین نوع پکینگ‌ها عبارتند از پکینگ توپچه‌ای، پکینگ صفحه‌ای، پکینگ چاپکی و پکینگ مخلوط.
ستون تقطیر
ستون تقطیر یکی از اجزای اصلی برج تقطیر است. این ستون به عنوان بخش اصلی برج تقطیر عمل می‌کند و برای جداسازی و تقطیر مخلوطی از مواد مایع یا گازی به کار می‌رود. ستون تقطیر معمولاً یک ستون عمودی و بلند است که دارای دو فاز گاز و مایع است. در داخل ستون، جریان مخلوط مواد وارد می‌شود و با استفاده از پکینگ‌ها، صفحات یا سایر ساختارهای داخلی، تماس بین فازهای مایع و گاز حاصل می‌شود. در اثر تماس بین فازها، جداسازی مواد بر اساس تفاوت در خواص فیزیکی آنها اتفاق می‌افتد.
در ستون تقطیر، مواد تغییر فاز می‌دهند و به صورت مایع و گاز جدا شده و در نقاط مختلفی از ستون خارج می‌شوند. نقاط خروجی معمولاً شامل نقطه ورود مواد، نقاط خروجی فاز مایع و نقاط خروجی فاز گاز است. همچنین، ستون تقطیر ممکن است دارای نقاط ورود و خروجی فازهای بینی نیز باشد، مانند نقاط ورود و خروجی جریان تغذیه بالا و جریان تغذیه پایین.
عملکرد ستون تقطیر به تنظیم مناسب دما و فشار در داخل ستون، استفاده از پکینگ‌ها و ساختارهای داخلی مناسب، و تأثیر عوامل دیگر مانند نسبت جریان مواد و طول ستون بستگی دارد. هدف اصلی ستون تقطیر، جداسازی مواد مخلوط و به دست آوردن فرآیند تقطیر صحیح و بهینه است.
جوشکاری، ساخت و مونتاژ
یک برج تقطیر از قسمت‌ها و بخش‌های مختلفی تشکیل شده است که هر کدام وظایف و نقش‌های خاصی در فرآیند تقطیر دارند.
- بدنه برج تقطیر معمولاً از فولاد کربنی یا فولاد ضدزنگ تولید می‌شود. این متریال برای مقاومت در برابر فشار و حرارت بالا که در فرآیند تقطیر ایجاد می‌شود، مناسب است.
- برای کاهش انتقال حرارت و حفظ دمای داخلی برج، عایق حرارتی استفاده می‌شود. موادی مانند الیاف شیشه‌ای، الیاف سیلیکاتی و فوم پلی‌یورتان برای ایزولاسیون حرارتی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
- برای افزایش تماس بین فازهای گاز و مایع و افزایش کارایی جداسازی، پکینگ‌ها و صفحات در داخل برج تقطیر قرار می‌گیرند. این ساختارها معمولاً از موادی مانند فلزات (مانند فولاد ضدزنگ)، پلاستیک‌های مقاوم در برابر حرارت (مانند پلی‌پروپیلن) یا سرامیک ساخته می‌شوند.
- برای عملکرد صحیح برج تقطیر، تجهیزات و تاسیسات جانبی نیز مورد نیاز است. این شامل سیستم‌های تأمین حرارت و سرمایش، سیستم‌های تأمین جریان و فشار، سیستم‌های کنترل و مانیتورینگ، سیستم‌های جداسازی و تمیزکاری، و سایر تجهیزات مرتبط است. مواد ساخت این تجهیزات ممکن است شامل فولاد ضدزنگ، آلومینیوم، پلاستیک‌ها و مواد دیگر باشد، که بسته به نیازهای فرآیند و شرایط عملیاتی انتخاب می‌شوند.
برای ساخت برج تقطیر، باید استانداردهای طراحی مربوطه را رعایت کرد. مانند استاندارد API 650 برای برج‌های ذخیره‌سازی و API towers برای برج‌های تقطیر، استاندارد ASME BPVC Section VIII برای طراحی و ساخت مخازن فشاری، و استانداردهای دیگر مشابه. استانداردهای جوشکاری و ساخت فلزات نیز باید رعایت شود. مثلاً استاندارد AWS D1.1 برای جوشکاری فولاد، استانداردهای ASME BPVC Section IX برای کیفیت جوشکاری، و استانداردهای ملی و بین‌المللی دیگر. رعایت استانداردهای ایمنی نیز حیاتی هستند، ازجمله استاندارد OSHA و NFPA باید رعایت شوند تا به ایمنی کارکنان و جلوگیری از حوادث و آتش‌سوزی‌ها پرداخته شود.
در ساخت برج تقطیر، نیاز است که استانداردهای محیط زیستی مربوطه را رعایت کنید. ساخت برج تقطیر باید با رعایت استانداردهای کیفیت از جمله ISO 9001 برای سیستم مدیریت کیفیت و استانداردهای مشابه انجام گیرد. استانداردهای مربوط به مواد و تجهیزات مانند استانداردهای ASTM برای مواد ساخت، استانداردهای API برای تجهیزات صنعتی باید رعایت شود.
بازرسی جوش و تست عملکرد قبل از نصب
بعد از ساخت برج تقطیر، برای اطمینان از کیفیت و عملکرد صحیح آن، برخی از آزمایشات و بازرسی‌های ضروری روی آن باید انجام شود. آزمایش فشار با هدف بررسی و اطمینان از مقاومت برج تقطیر در برابر فشار طراحی شده است. در این آزمایش، فشار بر روی برج تقطیر اعمال می‌شود و عملکرد آن تحت فشار بررسی می‌شود. لوله‌ها و اتصالات برج تقطیر بررسی می‌شوند. این بررسی شامل بررسی کیفیت لحیم‌کاری، تست هیدروستاتیک (اعمال فشار آب برای تشخیص نشتی) و سایر آزمایشات مربوطه است.
جوشکاری‌های موجود در برج تقطیر باید تحت بازرسی قرار گیرند. بازرسی جوشکاری شامل بررسی کیفیت جوش، تشخیص عیوب جوش، رعایت استانداردهای جوشکاری و سایر موارد است. از تست‌های غیرمخرب می‌توان برای بررسی برج تقطیر استفاده کرد. این شامل تست فراصوتی، تست رادیوگرافی، تست مایع نافذ و تست مغناطیسی می‌شود.
بازرسی ابعادی و هندسی برج تقطیر برای بررسی دقیق ابعاد، هندسه و انحنای صحیح آن استفاده می‌شود. بازرسی ایمنی و آتش‌نشانی مربوط به بررسی تجهیزات ایمنی برج و رعایت مقررات و استانداردهای ایمنی و آتش‌نشانی است. در صورت وجود اثرات محیطی، بازرسی محیط زیستی می‌تواند بررسی کند که برج تقطیر با مقررات محیط زیستی مربوطه هماهنگی دارد یا خیر.
