تقطیر

در عمل , تقطیر را با یکی از دو روش زیر می توان انجام داد . روش اول بر مبنای تولید بخار است , ود ر آن مخلوط مایعی که باید جدا سازی شود جوشیده و بخار حاصل چگالیده می شود بدون این که هیچ مایعی به دستگاه تقطیر بر گردانده شود , و بازروانی وجود ندارد . روش دوم بر مبنای بر گشت قسمتی از مایع چگالیده به دستگاه تقطیر است و به طوری که این مایع      بر گشتی با بخارهایی که در حال ورود به چگالنده اند به خوبی تماس        می گیرد . هر یک از این روش را به صورت فرایندهای پیوسته یا ناپیوسته می توان انجام داد . در قسمت اول این فصل فرایند های تقطیر پایای پیوسته شامل تبخیر جزئی یک مرحله ای بدون بازروانی ( تقطیر آنی ) و تقطیر پیوسته با بازروانی ( یکسو سازی ) برای سیستم های دو جزئی بررسی می شوند . در قسمت های بعد طراحی و عملکرد دستگاه تقطیر مانند ستون ها با بشقابک مشبک ,و تقطیر نا پیوسته مورد بحث قرار می گیرد .

تقطیر آنی

تبخیر کسر معینی از مایع به گونه ای که بخار حاصل با مایع باقی مانده که بخار را از مایع جدا می کند , در تعادل باشد و چگالش این بخار تقطیر آنی را تشکیل می دهد . اجزای دستگاه تقطیر آنی را نشان می دهد پمپ a  خوراک را به گرمکن b پمپ می کند و فشار در شیر C کاهش میی یابد مخلوط بخار و مایع وارد جدا  ساز d می شود . در آنجا زمان کافی برای جدا سازی بخار و مایع وجود دارد . به علت تماس نزدیک مایع و بخار قبل از جدا سازی , جریان های جدا شده در تعادل اند بخار از خط e و مایع از خط g خارج می شود .

تقطیر آنی مخلوط های دو جزئی

از تقطیر آنی در تصفیه نفت خیلی استفاده می شود , به این ترتیب که نفت در دستگاههای تقطیر لوله ای گرم می شود و قسمتی از سیال گرم شده به بخار تبدیل می شود و باقیمانده به صورت جریان های مایع , هر کدام حاوی اجزای بسیار , در می آید . اغلب ، مایع حاصل از یک برج جذبی تبخیر آنی                می شود تا مقداری از حل شده بازیابی شود , مایع حاصل از یک رآکتور فشار بالا را می توان به طور ناگهانی به فشار پایین تر رساند و در نتیجه مقداری از آن را به بخار تبدیل کرد .

mol 1 از مخلوط دو جزئی را که وارد دستگاه نشان داده شده در نظر گرفته و غلظت خوراک را , بر حسب کسر مولی جز’ فرارتر X_f می گیریم . کسر مولی آن قسمت از خوراک را که تبخیر و دائماً به صورت بخار خارج می شود با F نشان می دهیم لذا F-1 کسر مولی آن قسمت از خوراک است که دائماً به صورت مایع خارج می شود . Y_D و X_B را , به ترتیب , غلظت بخار و مایع می گیریم . با توجه به موازنه مواد بر مبنای ۱ مول خوراک برای جزء فرارتر خوراک که به صورت دو جریان خارج می شود .

دو مجهول در معادله فوق وجود دارند : y_{D ,XB}برای استفاده از این معادله رابطه دومی را بین مجهولات باید به دست آورد .  با جایگزینی X_B و y_D  مختصات نقطه ای از آن هستند به دست می آید با جایگزینی X_B وy_D به ترتیب , با X و y معادله را به صورت زیر می توان نوشت .

کسر f ثابت نیست بلکه به آنتالپی مایع گرم ورودی و آنتالپی های بخار و مایع خروجی از محفظه تبخیر آنی بستگی دارد برای شرایط معین خوراک با کاهش فشار  وتبخیر آنی می توان f را افزایش داد .

معادله یک خط مستقیم با شیب F ( F–۱ ) – است و آن را در نمودار تعادلی می توان رسم کرد . مختصات نقطه تقاطع این خط و منحنی تعادل عبارتند از : X=X_B و y=y_D   برای سهولت , از نقطه تقاطع خط موازنه مواد و قطر X=Y می توان به عنوان نقطه ای روی این خط استفاده کرد با قرار دادن X=X_f در معادله

 که از آن نتیجه می شود :=Xy=X_f  تقاطع خط موازنه مواد و قطر برای تماممقادیر F در X=X_f است .

تقطیر پیوسته با بازروانی

برای جدا سازی اجزایی که در دماهای کاملاً متفاوت می جوشند , اغلب از تقطیر آنی استفاده می شود این روش برای جدا سازی اجزایی که فراریت آنها با یکدیگر قابل مقایسه است روش موثری نیست و باید از تقطیر با بازروانی استفاده شود .

کنش در بشقابک ایده آلی

در یک بشقابک ایده آلی . طبق تعریف مایع و بخار خروجی از بشقابک با هم در تعادل اند . بشقابکی را , مانند بشقابک N در شکل ۲۱-۵ در نظر گرفته و فرض می کنیم بشقابک ها از بالا به پایین به طور سریال شماره گذاری و بشقابک تحت بررسی بشقابک N ام از بالاست لذا , بشقابک ۱-N درست در بالای بشقابک N و بشقابک ۱+‌N درست در پایین بشقابک N است . در تمام کمیت ها از اندیس برای نشان دادن نقطه مبدا کمیت استفاده می شود . دو جریان سیال وارد بشقابک N و دو جریان از آن خارج می شوند . جریان مایع با آهنگ  مول از بشقابک N-1 جریان بخار با آهنگ  مول از بشقابک N+1 با هم تماس می گیرند . جریان بخار با آهنگ   مول تا بشقابک N-1 بالا می آید , و جریان مایع با آهنگ  مول تا بشقابک N+1 پایین می رود .

جریان های بخار و مایع , به ترتیب , فاز V و فاز L هستند و غلظت آنها به ترتیب , با Y و X نشان داده می شود . لذا غلظت جریان هایی که به بشقابک N ام وارد و از آن خارج می شوند عبارتند از :

y_n  برای بخار خروجی از بشقابک

X_N  برای مایع خروجی از بشقابک

Y_ZN+1 برای بخار ورودی به بشقابک

  X_N-1 برای مایع ورودی به بشقابک

چهار غلظت داده شده در این شکل نشان داده شده اند . طبق تعریف بشقابک ایده آلی , بخار و مایع خروجی از بشقابک N در تعادل اند و X_n و y_n غلظت های تعادلی را نشان می دهند . این موضوع در شکل ۲۱-۶ نشان داده شده است . بخار هنگام صعود در ستون از جزء فرارتر A غنی و مایع هنگام سقوط در ستون از جزء A تهی می شود . از این رو غلظت A در هر دو فاز بر حسب ارتفاع ستون افزایش می یابد , X_n-1 بزرگتر از X_n و y_n بزگتر از y_n+1 است . گر چه جریان های خروجی از بشقابک در تعادل اند , ولی جریان های ورودی به آن در تعادل نیستند این را شکل ۲۱-۶ می توان دید . وقتی بشقابک در تعادل اند , ولی جریان های ورودی به آن در تعادل نیستند . وقتی بخار حاصل از بشقابک N+1 و مایع حاصل از بشقابک N-1 با هم تماس می گیرند غلظت آنها به طرف حالت تعادلی پیش می رود , و این موضوع با پیکان ها در شکل ۲۱-۶ نشان داده شده است قسمتی از جزء فرارتر A از مایع تبخیر می شود , و غلظت مایع از X_n-1  به X_n کاهش می یابد مقداری از جزء B با فرایت کم تر از بخار چگالیده می شود و غلظت بخار از Y_n+1 به Y_n افزایش می یابد . چون جریان های مایع در نقطه حباب و جریان های بخار در نقطه شبنم خود قرار دارند , گرمای لازم برای تبخیر جزء  B تامین می شود هر بشقابک در زنجیره به صورت یک دستگاه تعویض کننده عمل می کند که در آن جزء A به جریان بخار و جزء B به جریان مایع تبدیل می شود همچنین چون با افزایش ارتفاع ستون غلظت A در مایع و بخار افزایش می یابد , دما کم می شود , و دمای بشقابک N بیش تر از دمای بشقابک N-1 و کم تر از دمای بشقابک N+1 است .

ترکیب یکسو سازی و عریان سازی

برای تهیه محصولات تقریباً خالص در بالا و پایین ستون تقطیر , خوراک وارد بشقابک واقع در قسمت مرکزی ستون می شود . اگر خوراک به صورت مایع باشد , تا ریبویلر به طرف پایین ستون جریان می یابد و توسط بخاری که از ریبویلر بالا می رود از جزء A عریان می شود به این  ترتیب می توان یک محصول ته مانده که تقریباُ B خالص است تهیه کرد .

 جریان پایای خوراک با غلظت معینی از نزدیک مرکز ستون A وارد آن می شود .

فرض می کنیم خوراک به صورت مایع و در نقطه جوش خود است . کنش در ستون به این فرض بستگی ندارد و سایر شرایط خوراک بعداً مورد بحث قرار می گیرند . بشقابکی را که خوراک وارد آن می شود بشقابک خوراک می گویمد . تمام بشقابک های بالای بشقابک خوراک بخش یکسو سازی و تمام بشقابک های زیر بشقابک خوراک شامل خود بشقابک خوراک , بخش عریان سازی را تشکیل می دهند خوراک از بخش عریان سازی به طرف پایین ستون جریان می یابد و در آنجا سطح معینی از مایع حفظ می شود . مایع بر اثر نیروی گرانش تا ریبویلر B جریان می یابد این ریبویلر تبخیر کنی است که با بخار آب گرم می شود و بخاری را که تولید می کند به پایین ستون بر می گرداند .

 بخار از تمام ستون به طرف بالا حرکت می کند . در یک سر ریبویلر سدی قرار دارد . محصول ته مانده از استخر مایع موجود  در  وجه فردست       سد خارج و در خنک کن G جریان می یابد این خنک کن از طریق تبادل گرما محصولات داغ خوراک را نیز پیش گرم می کند .

بخاری که در بخش یکسو سازی بالا می رود در چگالنده C به طور کامل چگالنده می شود و مایع چگالنده در جمع کن D که در آن مایع در سطح معینی است جمع آوری می شود . پمپ بازروانی F مایع را از جمع کن می گیرد و آن را به بشقابک فوقانی برج می دهد . این جریان مایع را بازروانی می گویند بازروانی است که جریان پایین رو مایع را در بخش یکسو سازی , که برای کنش روی بخار بالارو مورد نیاز است . تشکیل می دهد . بدون بازروانی هیچ گونه یکسو سازی در بخش یکسو سازی روی نمی دهد و غلظت محصول سر ستون از غلظت بخاری که از بشقابک خوراک بالا می رود بیش تر نخواهد بود مایع چگالیده ای که توسط پمپ بازروانی گرفته نشده است در مبدل گرمایی E , به نام خنک کن محصول , خنک و به صورت محصول سر ستون خارج می شود . اگر آزئو تروپ تشکیل نشود , با استفاده از تعداد کافی بشقابک و مقدار کافی بازروانی می توان محصول سر ستون و محصول ته مانده با خلوص دلهواه را به دست آورد .

این وسیله اغلب برای تاسیسات کوچک به شکل ساده تری است به جای ریبویلر یک کویل گرمکن در پایین ستون می توان قرار داد تا از استخر مایع واقع در آنجا  بخار تهیه کند . گاهی چگالنده در بالای ستون قرار داده می شود و پمپ بازروانی و جمع کن حذف می شوند بازروانی بر اثر گرانش به بشقابک فوقانی بر می گردد . از شیر مخصوصی به نام تقسیم کن بازروانی برای کنترل آهنگ بر گشت بازروانی می توان استفاده کرد باقیمانده مایع چگالنده محصول سر ستون را تشکیل می دهد .

موازنه مواد در ستون های بشقابکدار

موازنه کلی مواد در سیستم های دو جزئی

مواد برای یک دستگاه تقطیر پیوسته نوعی Fmol/h خوراک با غلظت X_f  وارد ستون می شود و Dmol /h محصول سر ستون با غلظت X_Dو Bmol / h محصول ته مانده با غلظت X_B به دست می آید . دو موازنه کلی مواد و مستقل از هم را می توان نوشت .

موازنه کلی مواد :

(۲۱-۳)                                                             F=D+B

موازنه جزء A :

(۲۱-۴)                                                             FX_F =DX_D +BX_B

با حذف B از این معادله ها ,

( ۲۱-۵)                      

با حذف D ,

(۲۱-۶ )                         

معادله های (۲۱-۵) و (۲۱-۶) برای تمام مقادیر جریان های بخار و مایع داخل ستون صحبت دارند .