بخشی از مقاله
چکیده
با مشخص شدن مزایاي آکنههاي منظم یا ساختاریافته نسبت به سینیها، کاربردهاي آنها در فرآیند جداسازي نیز به تدریج افزایش پیدا کرد. از زمان ظهور آکنههاي ساختاریافته، مطالعات پژوهشی و صنعتی بسیار زیادي به خاطر جذابیتهاي تجاري این آکنهها به علت ترکیب راندمان انتقال جرم بالا و افت فشار پایین انجام شده است. از مزایاي استفاده از این آکنهها بر بالا رفتن راندمان برجهاي جداساز، میتوان بدین موارد اشاره کرد:
- 1 کاهش افت فشار، که موجب کم شدن فشار پایین برج، نقطه جوش مواد و نهایتا کاهش بار حرارتی جوشآور و صرفهجویی در انرژي میگردد.
- 2 افزایش میزان سطح تماس و انتقال جرم بین فازهاي مایع و گاز، که ناشی از ساختار خاص این آکنهها میباشد؛ و سبب افزایش کیفیت محصولات یا کاهش ارتفاع برج میگردد.
- 3 افزایش فضاي جابجایی سیالات در برج، که باعث کاهش تجمع مایع و افت فشار در برج گشته، و افزایش ظرفیت برج را شامل میشود. از این رو در سالهاي اخیر براي افزایش ظرفیت برج و همچنین بهبود کیفیت محصولات با صرف انرژي کمتر، جایگزین نمودن آکنههاي ساختار یافته در برجها، به تکنیکی مناسب و با صرفه اقتصادي زیاد در راستاي بالا بردن راندمان در انواع برجهاي جداساز مبدل گشته است.
مهمترین قسمتهاي یک برج آکنده شامل بستر آکنه و توزیعکنندههاي مایع میباشند؛ که بررسی خواص و ساختار آنها، در انجام یک طراحی مناسب و پربازده، کمک بسزایی مینماید. از پارامترهاي موثر بر عملکرد برجهاي آکنده میتوان به افت فشار خشک و خیس، ارتفاع معادل یک سینی تئوري - ب1غد - ، تجمع مایع، سطح تماس ویژه و موثر و ... نیز اشاره نمود؛ که درك صحیح این موارد، نقش آکنههاي ساختاریافته را در بالا بردن راندمان یک برج و شرایط و محدودیتهاي استفاده از بسترهاي آکنده را برایمان پر رنگ میسازد.
از طرفی اهمیت افت فشار و تاثیر آکنههاي ساختاري بر کاهش قابل ملاحظه این پارامتر، تحقیقات بسیاري را بر روي ساختار هندسی این آکنهها در سالهاي اخیر، موجب گشته است. در نهایت براي طراحی یک برج حاوي آکنههاي ساختاریافته، باید به بهترین شکل و منطبق با اهداف واحد مورد نظر، که میتواند مبتنی بر افزایش ظرفیت و بالا بردن کیفیت محصولات با صرف کمترین انرژي، و با در نظر گرفتن پارامترهایی چون هزینه و انعطافپذیري برج، با داشتن یک ارزیابی درست اقتصادي، صورت گیرد.
-1 مقدمه
دو نوع عمده ستونهاي سینیدار و آکنهدار در کاربردهاي صنعتی در پالایشگاهها، صنایع پتروشیمی و صنایع گاز استفاده می شود .[2,1] استفاده از برجهاي آکنده در صنایع شیمیایی در دهههاي اخیر رایج شده است. در طی نیمه اول قرن بیستم این برج ها طراحی شدند ولی کاربرد آنها بسیار محدود بود عمدتاًو براي برجهاي با قطرنسبتاً کم و یا براي مقیاس آزمایشگاهی استفاده می شدند .
آکنه هاي مورد استفاده در برج هاي آکنده، به دو نوع نامنظم و ساختار یافته تقسیم میشوند. از سال 1930 بسیاري از سازمان هاي علمی و همچنین شرکتهاي سازنده پکینگها، شروع به تحقیقات و مطالعات گستردهاي بر روي پکینگهاي نامنظم کردهاند. این مطالعات تقریبا از سال1960 بر روي پینگهاي ساختار یافته آغاز شد .
آکنههاي ساختار یافته به طور فزایندهاي براي کاربرد در ستونهاي آکنده در فرآیندهاي جذب و تقطیر، رایج شدهاند .[4] از ویژگیهاي بارز آکنههاي ساختاریافته، ظرفیت بالا، افت فشار پایین، راندمان بالا، وزن کم و حساس نبودن به سیستمهاي کفکننده میباشد .[5] در شکل - - 1 تاریخچه آکنههاي ساختاریافته متفاوت مشاهده میگردد.
شکل -1 تاریخچه آکنههاي ساختاریافته
با توجه به جدید بودن طرح پرکنهاي ساختار یافته و کم بودن کارهاي آزمایشگاهی و نتایج آنها در مقالات و متون علمی و با در نظر گرفتن رشد استفاده از این نوع پرکنها در صنایع به دلیل کارایی بالاي آنها، تحقیق و بررسی بر روي بازده این پرکنها ضروري به نظر میرسد.
-2 مقایسه برجهاي سینیدارو آکنده
ستونهاي سینیدار در فشارهاي عملیاتی بالاتر مناسب میباشند و براي ستونهاي با قطر بزرگ پیشنهاد میشوند. این ستونها براي سرویسهاي رسوبگیر - کططهطکح ؟غطئأپً - مناسب بوده و در نقطه ورود خوراك، انعطاف پذیر و داراي تجهیزات کم هزینه هستند. به ازاي هر سینی افت فشار متوسط تا بالایی وجود دارد و بنابراین ستونهاي سینیدار براي عملیات فشار پایین یا مواردي که شدت جریان کم مورد نیاز است، ایدهآل نیستند.
برجهاي آکنده در مقابل برجهاي سینیدار براي سرویسهاي رسوبگیر کمتر مناسب هستند؛ با این وجود به منظور کاهش میزان رسوبگیري، می توان از آکنه سرامیکی یا پلیمري به جاي آکنه فلزي استفاده نمود. برجهاي پرشده در نقطه ورود خوراك، انعطافپذیري ندارند و توزیع بد مایع، به طور قابل توجهی، راندمان جداسازي آکنهها را کاهش میدهد؛ بنابراین برجهاي پرشده براي ستونهاي با قطر کمتر از 0/914 متر، مناسبترند .
البته در طول دهههاي اخیر، آکنههاي ساختاریافته براي بارهاي خیلی بالاي مایع و بخار و با افت فشار کم، توسعه یافتهاند .[9,8] این آکنهها، به کاهش هزینه سرمایهگذاري و عملیاتی کمک میکنند و بنابراین کاربرد وسیعی در صنعت شیمیایی و پتروشیمی پیدا میکنند. با این وجود، تنها اگر توزیع و سرعت هاي گاز و مایع در سرتاسر آکنه یکنواخت باشد، انتقال جرم بالا می تواند بوجود آید .
میزان جداسازي قابل دستیابی در هریک از انواع ستونها، تابع سطح مشترك موجود براي تماس مایع- بخار است. در ستونهاي سینیدار، حبابهاي بخار، از درون مایع تجمع یافته روي هر سینی، بالا میآیند و انتقال جرم در سطح مشترك مایع- بخار یا روي سطوح حبابها اتفاق میافتد. سطح مشترك موجود براي انتقال جرم به اندازه حباب و پایداري براي یک هندسه خاص سینی وابسته است.
راندمان در ستون هاي سینیدار معمولاً تایع خواص مایع و به مقدار کمتر تابع طراحی سینی است. در برج هاي آکنده، یک فیلم مایع، روي سطح آکنه تشکیل شده و انتقال جرم در سطح فیلم اتفاق میافتد. سطح مشترك موجود براي تماس مایع- بخار به پایداري فیلم مایع وابسته است. راندمان آکنه، به نام ارتفاع معادل با یک سینی تئوري - ب1غد - تابع نوع، اندازه و جنس آکنه و همچنین خواص مایع است.
انتخاب برج سینیدار یا آکنده براي یک جداسازي معین به شرایط عملیاتی، ابعاد ستون و مشخصههاي سیستم وابسته است، بطوریکه راندمان جداسازي و ظرفیت ستون در حداکثر مقدار در حالی که انرژي مورد نیاز و اتلاف محصول در حداقل مقدار باشند. وابستگی راندمان سینی به سیستم یک موضوعکاملاً اثبات شده است. سطح مشترك موثرعمدتاً به خواص اجزاي مایع، کشش سطحی استاتیک، گرادیان کشش سطحی، ویسکوزیته، دانسیته و نفوذپذیري وابسته است .
-3 تحلیل ساختاري برجهاي آکنده و تاثیرشان بر بالا رفتن راندمان
برجهاي پرشده به عنوان وسایل ارتباط دهنده گاز – مایع و مایع – مایع، از شش بخش اصلی پوسته، پرکن، نگهدارنده پرکن، توزیع کننده مایع و گاز، جمعآوريکننده و توزیعکننده مجدد و لولههاي ورود و خروج گاز و مایع، تشکیل شدهاند.
پرکنها و توزیعکنندهها اساس کارایی این برجها میباشند و تعیین خواص آنها مستلزم دانستن خواص عملیاتی پرکنها و اثر انواع مختلف آنها بر کارایی دستگاه می باشد.
-1-3 بستر آکنده
مهمترین بخش برجهاي تقطیر آکنده که در آن عملیات انتقال جرم بین فاز گاز و مایع انجام میشود، بستر آکنده میباشد. جهت ایجاد تماس بین جریان متقابل فازهاي گاز و مایع در داخل برج از قطعاتی به نام آکنه یا پرکن استفاده میشود.
این قطعات باید اندازهکافی محکم باشند تا بر اثر استفاده، تغییر شکل نداده یا شکسته نشوند. آکنههاي مورد استفاده در برجهاي تقطیر شامل آکنههاي نامنظم و آکنههاي ساختاري میباشند.
-1-1-3 آکنههاي نامنظم
پرکنهاي نامنظم به صورت مجزا بوده و شکل ویژهاي براي بهبود سطح تماس بین مایع ریزان و بخار یا گاز بالا رونده ایجاد میکند. از مزایاي استفاده از آکنههاي نامنظم کم هزینه بودن آنها میباشد اما افت فشار برج نسبتا زیاد میباشد. از مهمترین ویژگیهاي آکنههاي نامنظم که میتوان به آن اشاره نمود، زیاد بودن سطح ویژه آنهاست.. در آکنههاي نامنظم با کاهش اندازه آکنهها راندمان افزایش مییابد، ولی در عین حال ظرفیت برج کاهش مییابد.
از دیگر پارامترهاي مهم گستردگی سطح میباشد، این عامل تاثیر زیادي در افزایش سطح تماس فازها دارد. به عنوان مثال حلقه راشیگ و حلقه پال داراي سطح ویژه یکسانی هستند ولی حلقه پال بخاطر داشتن گستردگی مساحت، راندمان بالاتري دارد. همچنین میبایست آکنهها از لحاظ شیمیایی در مقابل سیالاتی که به کار میروند بیاثر و داراي استحکام کافی باشند، تا استفاده از آنها به آسانی انجام پذیرد .
