بخشی از مقاله
راهبردهاي طراحی ساختار داخلی برجهاي تقطیر سینیدار
چکیده
در صنایع شیمیایی جداسازي ترکیبات از یک جریان خوراك، میتواند توسط برجهاي تقطیر سینیدار انجام گیرد. براي بهبود عملکرد برجهاي سینیدار باید طراحی قطعات داخلی آنها با دقت زیادي انجام پذیرد. زمانی که طراحی فرآیندي به اتمام میرسد، طراحی تجهیز آغاز میشود. این فاز منجربه گذر از طراحی ملزومات فرآیندي (یعنی بارهاي بخار و مایع در هر بخش از برج) به اجزاي سختافزاري واقعی میگردد. طراحی تجهیزات به دو فاز تقسیم میگردد: طراحی اولیه (پایه)
و ثانویه (تفصیلی). فاز اول شامل تعیین قطر برج، نوع سینی، و نحوه تقسیم مساحت سینی بین نواحی حبابزایی و ناودانی میشود. این فاز همچنین تخمینی اولیه (و معمولا نزدیک) از فاصله سینیها، تعداد گذرهاي مایع، و خصوصیات دیگر از طرح سینی و ناودانی نظیر ارتفاع بند، کسر مساحت سوراخکاري شده، قطر سوراخها، و فاصله زیر ناودانی ارائه مینماید. این تخمینها سپس در فاز ثانویه نهایی میشود. آرایش داخلی مناسب براي کارایی مؤثر برجهاي سینیدار بسیار مهم است. توزیع غیر یکنواخت بخار، مایع یا یک جریان خوراك دوفازي روي هرکدام از سینیها بر روي سینیهاي مجاور و در نتیجه بر عملکرد کلی برج تأثیر میگذارد. توزیع غیریکنواخت اولیه در بسیاري از موارد به سایر سینیها نیز منتقل میشود. در این مقاله نوع، آرایش، طراحی و اندازهي قطعات داخلی برج، همراه با طرحهاي فرآیندي مناسب مورد بررسی قرار گرفته است. این مقاله دستورالعملهایی را با حفظ پیکربندي کلی برجهاي سینیدار ارائه میکند.
واژههاي کلیدي: برج تقطیر سینیدار، ساختار داخلی، طراحی تجهیزات، طرحی فرآیند، آرایش داخلی برج، تعیین
اندازهي قطعات.
-1 مقدمه
صنایعی همچون نفت و گاز، پالایش، پتروشیمی و... اغلب با فرآیندهایی همچون جذب، دفع، تقطیر و استخراج مایع-مایع روبرو میشوند. این فرآیندها نیازمند برجهایی هستند که قطعات داخلی آنها مخصوص جداسازي جریانهاي بخار یا مایع میباشد. در اکثر برجهاي سینیدار از سینیهایی همچون کلاهک حبابی (Bubble cap)، سوراخدار (Perforated)، دریچهاي (Valve)، دو جریانی (Dual flow)، بافل (Baffle) و چندین سینی اختصاصی دیگر براي رسیدن به حداکثر جداسازي اجزاي مورد نظر از جریان خوراك استفاده میشود. از این رو انتخاب نوع، اندازه، روش نصب، راهاندازي و بهرهبرداري دقیق سینیها، مورد توجه قرار گرفته است. معمولا اندازهي برج، قطر و ارتفاع کلی آن با انتخاب طرح سینی مشخص میشود .[1]
براي اطمینان از توزیع مناسب بخار و یا جریان مایع ورودي به برج، باید تجهیزات داخلی برجهاي سینیدار با دقت زیادي طراحی شود. طراحی و آرایش داخلی برج دو هدف مهم را در بر میگیرد: اول عملکرد درست و مؤثر سینیها و دوم اطمینان از حصول ویژگیهاي مدنظر در طراحی تجهیزات. توزیع غیر یکنواخت بخار، مایع یا هر دو به دلیل آرایش داخلی نامناسب، ممکن است باعث عبور بخار و یا مایع از کنارههاي سینی مثل کانالیزه شدن (Channeling) شود، و از این رو بازده سینی ها را تحت تأثیر قرار دهد و باعث افت عملکرد کلی برج گردد .[1]
این مقاله در مورد گزینش، چینش داخلی و ضوابط تعیین اندازه (Sizing) تجهیزات مورد نیاز براي انواع رایج سینیهاي داراي ناودان بحث میکند. سینیهاي دو جریانی، سینیهاي تیغهاي و سینیهاي اختصاصی، طراحی متفاوتی دارند که در اینجا مورد بحث قرار نگرفته است.
برخی از جنبههاي مهم طراحی سینی در زیر مورد بررسی قرار گرفته است. این مقاله دستورالعملهاي کلی براي طراحی و اصلاحات مورد نیاز براي رفع مشکلاتی همچون رسوب، کف و غیره که ممکن است در سیستم پیش آید را ارائه میدهد.
-2 بخشهاي داخلی برج سینیدار
علت عمدهي عملکرد نامناسب برجهاي سینیدار به دلیل آرایش نامناسب اجزاء داخلی برج است، که در اغلب موارد این اجزاء توسط فروشندگان سینی طراحی میشوند؛ اما آرایش داخلی توسط مجوز دهندهي فرآیند (Process licensor) یا طراح فرآیند معین میشود .[2] همچنین سینیها معمولاً توسط فروشنده سینی ساخته میشوند، در حالی که برج توسط یک سازنده ستون تقطیر همراه با انواع دیگري از تجهیزات داخلی قابل حمل، ساخته میشود. دو جزء ذکر شده بطور جداگانه به سایت حمل شده و سپس در آنجا عملیات نصب کامل میگردد.
پس از طراحی ستون و بدست آوردن ابعاد آن که وابسته به طراحی سینی است، یک طرح اولیه از فرآیند براي برج مورد نظر آماده میشود. براي عملکرد مناسب سینیها، این طرح اولیه باید شامل طراحی جزئیات بخشهاي داخلی باشد. یک برج سینیدار میتواند داراي یک یا چند بخش داخلی از موارد ذیل باشد:
(1 ورودي مایع در بالاي برج (جریان برگشتی یا خوراك). (2 ورودي مایع بر روي سینیهاي میانی (جریان خوراك).
(3 ورودي بخار در زیر پایینترین سینی و یا در بین سینیهاي میانی. (4 خروجی مایع از سینیهاي میانی و جریان پایین برج.
(5 خروجی بخار از بالاي برج و سینیهاي میانی. (6 جریان خوراك دو فازي در بالا، پایین یا میانه برج.
همچنین براي خروج تمام مایع موجود در بین سینیهاي میانی، نیازمند به استفاده از سینی دودکشی
(Chimney tray) یا جمعکننده (Collector) میباشد .[2]
تغییر در قطر برج نیازمند تحول در آرایش داخلی است، تا در محل تغییر قطر، اختلاط جریانات بخار و مایع به خوبی انجام گیرد و براي حفظ عملکرد سینی بطور مناسب توزیع شوند. در برخی مواقع لازم است که مقادیر زیاد مایع یا بخار را به بخشی از سینیهاي میانی وارد یا از آن خارج کنیم، که نیازمند آگاهی از هیدرولیک بخش بالا یا پایین سینی ورود خوراك است. این امر مستلزم طراحی داخلی ویژهاي میباشد؛ و معمولا باید در محل تغییر قطر، فاصله بین سینیها بیشتر اختیار شود.
-3 ورودي مایع
خوراك مایع معمولاً روي بالاترین سینی یا مابین دو سینی وارد میشود. جریان مایع میتواند یک خوراك تازه یا یک جریان برگشتی باشد و نیز در شرایط مایع متراکم یا در حال جوش، وارد شود. ترکیب نسبی این جریان ممکن است مشابه مایع روي سینی یا متفاوت از آن باشد. ورود جریان مایع تازه میتواند کف کردن را تشدید نموده و تا زمانی که با جریان مایع درون برج آمیخته میشود، ادامه یابد. هر کدام از این حالات نیازمند طراحی یک توزیع کنندهي مناسب است تا برج عملکرد صحیحی داشته باشد. نهایتا تعداد گذرهاي سینی (Tray passes) تعیین کنندة طراحیهاي مربوط به توزیع کننده است.
-1-3 ورودي مایع در بالاي برج
معمولا این جریان یک مایع متراکم است، به جز در برخی برجهاي دفع (Stripping columns) که پیشگرم میشود و به صورت مایع در دماي جوش خود وارد برج میشود. همانطور که در شکل (1) نشان داده شده، خوراك مایع با یک نازل فلاش (Flush nozzle) یا یک لوله که تا درون برج ادامه مییابد، وارد برج میشود. این وروديها عموماً در بخش غیرفعال سینی (بخشی که بخار از آن عبور نمیکند) تعبیه میشوند. این بخش درست در راستاي ناودان (Downcomer) خروجی سینی پایینی قرار دارد و در محدودة آن هیچ بخاري وارد سینی نمیشود .[2]
شکل صحیح دهانه ورودي، مایع را در تمام جهات عرض سینی پخش میکند. پس از آن، بند ورودي (Inlet weir) توزیع یکنواخت مایع در بخش فعال سینی را تکمیل میکند. توصیه میشود سطح مقطع توزیع کنندة مایع ورودي تقریبا 1/5 برابر قطر لوله جریان بوده و یا به گونهاي انتخاب شده که سرعت مایع حدود 1 m/s باشد، تا از پاشش بیش از اندازه، جلوگیري به عمل آید .[3]
(b) (a)
شکل -1 نمایی از سینیهاي مورد استفاده در برج: (a) یک گذر و (b) دو گذر [2]
-2-3 خوراك مایع به سینیهاي میانی
با توجه به شکل (2)، مایع از قسمتی بالاتر از سطح سینی و همسو با ناودان ورودي به روي آن وارد شده و به نزدیکی لبه پایین ناودانی هدایت میشود. (که همچنین ناحیه زیرین جریان پایین رونده (Under-downflow area) نیز نامیده می شود -
ناحیه ایست روي کف سینی (Tray deck) که مایع را از ناودانی بالاي سینی دریافت میکند.) براي طراحی سینی دو جریانی، در ابتدا خوراك باید به دو قسمت مساوي تقسیم شود و سپس در بالاي سینی توسط لوله به سمت هرکدام از ناودانها هدایت شده و همانطور که دربارة تک گذر گفته شد، توزیع میگردد. در بسیاري از موارد موقعیت مناسب نازل در کنار ناودانی، باعث میشود لولهکشی سادهتري داشته باشیم .[2]
شکل -2 ورودي خوراك مایع به سینی میانی (تک گذر) [2]
معمولا بافل ضربهگیر (Impingement baffle) براي به حداقل رساندن تاثیر مایع روي ناودانی توصیه میشود، زیرا ناودانها معمولا بصورت پیچ شده کار گذاشته میشوند و پدیده ضربات پیوسته مایع (Hammering)، ممکن است موجب لرزش و سست شدن اجزاء ناودان شود .[3]
-4 ورودي بخار
همیشه یک جریان بخار در پایین برج وجود دارد و گاهی ممکن است براي یکی از سینیهاي میانی برج نیز تعریف شود.
-1-4 جریان ورودي به زیر سینی پایین برج
جریان بخاري که از پایین برج وارد میشود یک گاز بی اثر یا بخار آب یا بخار حاصل از جوشآور باشد. دهانه ورودي بخار بطور معمول باید به موازات بند زیر ناودان (Seal pan) باشد، که این مورد باید در هر دو مدل سینیهاي تک گذر و دو گذر رعایت شود .[2] (شکل (3
(b) (a)
شکل -3 خوراك بخار ورودي به سینی: (a) یک گذر و (b) دو گذر [2]
براي سینی دو گذر مطلوبست که ناودانهاي پایینترین سینی در کنارهها قرار گیرند تا فضاي کافی براي توسعهیافتگی جریان بخار و همچنین توزیع بخار در دو ناحیه فعال سینی بطور مساوي انجام گیرد. وقتی که ورودي بخار پایین برج در جهت عمود به ناودانی سینی تک گذر وارد میشود، بهتر است که یک تیغهي منحرف کننده جریان بر سر راه بخار ورودي قرار گیرد.
براي سینیهاي چند گذر وقتی که ناودان سینی آخر در مرکز قرار گیرد، طراحی ورودي بخار پیچیده میشود و لازم است که فضاي بخش زیرین سینی بیشتر گردد، مگر اینکه دو دهانه براي ورودي بخار تعبیه شود؛ بصورتی که هر کدام در یک سوي ناودان قرار گیرد. در تمام حالات باید مراقب بود تا مایع خروجی از ناودان (یا ناودانها) بر روي دهانهي بخار نریزد زیرا میتواند باعث ماندگی بسیار زیاد مایع در جریان بخار شود و آن را به سینی بالایی حمل کند. این عمل باعث افزایش سطح مایع روي سینی انتهایی میشود و در حالتی که سرعت بخار خیلی زیاد باشد، سبب لرزش بخش پایین برج و همچنین صدمه و حتی تخریب سینیها میگردد .[4]
سطح مایع در فضاي پایین برج باید به قدر کافی پایینتر از ورودي بخار قرار گیرد. در بیشتر موارد این فاصله حداقل 300 mm پیشنهاد میشود. این شرط پیشنهادي مخصوصا زمانی که جریان ورودي پایین برج بخار آب بوده و تمایل به ایجاد تبخیر بیشتر مایع داشته باشد، بسیار اهمیت پیدا میکند .[3]
-2-4 جریان ورودي به بخش میانی برج
در اغلب موارد توصیه میشود که بخار از طریق یک نازل فلش در جهت عمود بر ناودان وارد برج شود. براي اطمینان از اختلاط صحیح جریان بخار تازه و بخاري که سینی ورودي خوراك را ترك میکند، بهتر است که دهانه ورودي خوراك حداقل 300 mm با سینی مجاور بالایی خود فاصله داشته باشد (شکل .(4 فاصله سینیها در محل ورود خوراك باید حداقل 1/5 برابر اندازهي فاصله عادي سینیها باشد. این کار باعث جلوگیري از برخورد شدید بخار ورودي با سر کف موجود روي سینی ورودي خوراك میشود. اگر این فاصله رعایت نشود میتواند سبب حمل شدید مایع توسط بخار گردد. علاوه بر این خوراك باید در تمامی جهات پخش شود تا از برخورد به یک نقطه و آسیب مکانیکی جلوگیري شود .[3]
شکل -4 خوراك بخار ورودي به سینی میانی [3]
-3-4 ورود جریان بخار آب
بخار آب معمولا براي عریانسازي اجزاي سبک از یک جریان مایع بکار میرود. وزن مولکولی کم و گرماي نهان تبخیر زیاد، آن را به یک بخار ایدهآل براي عملیات عریانسازي (Stripping) تبدیل کرده است؛ اما در حالتی که بخار در حالت اشباع وارد میشود باید بیشتر مراقب بود. بخار اشباع ممکن است حاوي قطرات مایع شده آب باشد و آن را وارد سیستم کند. قطرات آب که با سرعت جریان بخار حمل میشوند، داراي انرژي جنبشی زیادي هستند. این قطرات آب میتوانند مستقیما به صفحات ناودان یا بخشهایی از سینی برخورد کرده و خساراتی بوجود آورند. بخار آب نباید از میان مایع سر ریز شده از حوضچهي زیر ناودان عبور کند. مایع سر ریز شده میتواند باعث افزایش ماندگی شود، که ممکن است موجب کاهش بازدهی سینی و نیز خسارات مکانیکی به برج گردد .[3]
-5 خروجی مایع
مایع درون برج از یک یا چند نقطه خارج میشود تا انباشتگی بوجود نیاید. براي به گردش در آوردن بخشی از جریان مایع روي سینی که نیاز به سرد شدن یا گرم شدن مجدد دارد، ممکن است چندین محصول مایع از یک برج گرفته شود یا خروجیهایی داشته باشیم. نوع طراحی داخلی این خروجیها (Draw-off) به اینکه جریان کاملا مایع داشته باشیم یا همراه با بخار، بستگی دارد .[1]
-1-5 خروجی کامل مایع
خروجیهایی که براي گرفتن جریان کامل مایع بکار میرود معمولا روي سینیهاي دودکشی یا جمعکننده نصب میشوند. اگر طراحی ما بر اساس جمعآوري تمام مایع ورودي به سینی و خارج کردن آن باشد، باید بطور کامل به جداره جوش داده شود و آب بندي سینی و حوضچه خروج بطور دقیق انجام شود .[2] در شکل (5) یک نمونه طرح از سینی دودکشی مشاهده میشود.
