عمود التجزئة

الموسوعة الحرة
تم تصميم وتصنيع عمود التقطير العملاق لمصفاة أراك للنفط بواسطة شركة ماشين سازي أراك (MSA).

عمود التقطير التجزيئي هو جهاز يُستخدم في تقطير المخاليط السائلة لفصلها إلى مكوناتها، أو أجزائها، بناءً على اختلافات تطايرها . تُستخدم أعمدة التقطير التجزيئي في عمليات التقطير المختبرية الصغيرة ، وكذلك في عمليات التقطير الصناعية واسعة النطاق.

أعمدة التجزئة المختبرية

الشكل 1: جهاز التقطير التجزيئي باستخدام مكثف ليبيج .
عمود فيغرو في بيئة مختبرية

عمود التقطير التجزيئي المختبري عبارة عن أداة زجاجية تُستخدم لفصل مخاليط مُتبخرة من مركبات سائلة ذات تقلبات متقاربة. يُستخدم عادةً إما عمود فيغرو أو عمود مستقيم مُعبأ بخرز زجاجي أو قطع معدنية مثل حلقات راشيج . تُساعد أعمدة التقطير التجزيئي على فصل الخليط عن طريق السماح للأبخرة المختلطة بالتبريد والتكثيف والتبخر مرة أخرى وفقًا لقانون راؤول . مع كل دورة تكثيف -تبخر، تُصبح الأبخرة غنية بمكون معين. تسمح مساحة السطح الأكبر بإجراء دورات أكثر، مما يُحسّن الفصل. هذا هو الأساس المنطقي لعمود فيغرو أو عمود التقطير التجزيئي المُعبأ. يُحقق التقطير ذو الشريط الدوار النتيجة نفسها باستخدام شريط دوار داخل العمود لإجبار الأبخرة الصاعدة والمكثفات الهابطة على التلامس الوثيق، مما يُحقق التوازن بسرعة أكبر.

في عملية التقطير التجزيئي التقليدية، يُسخّن مزيج سائل في قارورة التقطير، ويتصاعد البخار الناتج إلى أعلى عمود التقطير (انظر الشكل 1). يتكثف البخار على دعامات زجاجية (تُعرف بالصواني النظرية أو الألواح النظرية ) داخل العمود، ثم يعود إلى قارورة التقطير، مُرتدًا بخار المُقطّر الصاعد. توجد الصينية الأكثر سخونة في أسفل العمود، بينما توجد الصينية الأبرد في أعلاه. عند الوصول إلى حالة الاستقرار ، يصل البخار والسائل على كل صينية إلى حالة توازن . يبقى البخار الأكثر تطايرًا فقط في الحالة الغازية حتى يصل إلى أعلى العمود، حيث يمر عبر مُكثّف ، يُبرّد البخار حتى يتكثف إلى سائل مُقطّر. يمكن تحسين عملية الفصل بإضافة المزيد من الصواني (ضمن حدود عملية للحرارة والتدفق، وما إلى ذلك).

أعمدة التقطير الصناعية

الشكل 2: أعمدة التجزئة الصناعية النموذجية
الشكل 3: رسم تخطيطي للهندسة الكيميائية لعمود تجزئة مستمر
الشكل 4: رسم تخطيطي للهندسة الكيميائية لصواني الفقاعات النموذجية في عمود التقطير التجزيئي
الشكل 5: مقطع من برج التقطير الموضح في الشكل 4، يُظهر تفاصيل زوج من الصواني المزودة بأغطية الفقاعات.
الشكل 6: منظر كامل لعمود التقطير

التقطير التجزيئي هو إحدى العمليات الأساسية في الهندسة الكيميائية . [ 1 ] [ 2 ] تُستخدم أعمدة التقطير التجزيئي على نطاق واسع في الصناعات الكيميائية التي تتطلب تقطير كميات كبيرة من السوائل. [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] تشمل هذه الصناعات تكرير البترول ، وإنتاج البتروكيماويات ، ومعالجة الغاز الطبيعي ، ومعالجة قطران الفحم ، وصناعة الجعة ، وفصل الهواء المسال ، وإنتاج المذيبات الهيدروكربونية . يُستخدم التقطير التجزيئي على نطاق واسع في مصافي البترول . في هذه المصافي، يكون النفط الخام المُستخدم في التغذية عبارة عن خليط معقد متعدد المكونات يجب فصله. لا يُتوقع عادةً الحصول على مركبات كيميائية نقية، ولكن يُتوقع الحصول على مجموعات من المركبات ضمن نطاق ضيق نسبيًا من درجات الغليان ، وتُسمى هذه المجموعات بالكسور . من هنا جاء اسم التقطير التجزيئي أو التجزئة .

يُعدّ التقطير من أكثر عمليات الفصل شيوعًا واستهلاكًا للطاقة. وتعتمد فعالية الفصل على ارتفاع وقطر عمود التقطير، ونسبة ارتفاع العمود إلى قطره، والمادة المُكوّنة لعمود التقطير نفسه. [ 6 ] في المصانع الكيميائية النموذجية، يُمثّل التقطير حوالي 40% من إجمالي استهلاك الطاقة. [ 7 ] يُجرى التقطير الصناعي عادةً في أعمدة أسطوانية رأسية كبيرة (كما هو موضح في الشكل 2) تُعرف باسم "أبراج التقطير" أو "أعمدة التقطير"، بأقطار تتراوح من حوالي 65 سنتيمترًا إلى 6 أمتار، وارتفاعات تتراوح من حوالي 6 أمتار إلى 60 مترًا أو أكثر.

تُشغَّل أبراج التقطير الصناعية عادةً في حالة استقرار مستمر. ما لم تتأثر بتغيرات في المواد الأولية أو الحرارة أو درجة الحرارة المحيطة أو التكثيف، فإن كمية المواد الأولية المضافة عادةً ما تساوي كمية المنتج المُزال.

يجب أن تتساوى كمية الحرارة الداخلة إلى عمود التقطير من المُسخِّن ومع المواد المُغذِّية مع كمية الحرارة المُزالة بواسطة المُكثِّف العلوي ومع المنتجات. تُعدّ الحرارة الداخلة إلى عمود التقطير مُعاملًا تشغيليًا بالغ الأهمية، إذ يُمكن أن تُؤدّي إضافة حرارة زائدة أو غير كافية إلى العمود إلى حدوث رغوة، أو تسرب، أو انجراف، أو فيضان.

يوضح الشكل 3 عمود تقطير صناعي يفصل تيار التغذية إلى جزء مقطر وجزء متبقٍ. مع ذلك، تحتوي العديد من أعمدة التقطير الصناعية على منافذ على طول العمود، مما يسمح بسحب منتجات متعددة ذات نطاقات غليان مختلفة من عمود تقطير تيار تغذية متعدد المكونات. تخرج المنتجات "الأخف" ذات أدنى درجات الغليان من أعلى العمود، بينما تخرج المنتجات "الأثقل" ذات أعلى درجات الغليان من أسفله.

تستخدم أعمدة التقطير الصناعية الارتداد الخارجي لتحقيق فصل أفضل للمنتجات. [ 3 ] [ 5 ] يشير الارتداد إلى جزء من المنتج السائل المكثف العلوي الذي يعود إلى الجزء العلوي من عمود التقطير كما هو موضح في الشكل 3.

داخل العمود، يُساهم سائل الارتداد المتدفق للأسفل في تبريد وتكثيف الأبخرة المتصاعدة، مما يزيد من كفاءة برج التقطير. وكلما زاد سائل الارتداد و/أو عدد الصواني، كان فصل المواد ذات درجة الغليان المنخفضة عن المواد ذات درجة الغليان العالية أفضل.

يعتمد تصميم وتشغيل عمود التقطير التجزيئي على تركيب المادة الأولية وتركيب المنتجات المطلوبة. في حالة المادة الأولية البسيطة المكونة من عنصرين، يمكن استخدام طرق تحليلية مثل طريقة مكابي-ثيلي [ 5 ] [ 8 ] [ 9 ] أو معادلة فينسكي [ 5 ] . أما في حالة المادة الأولية متعددة المكونات، فتُستخدم نماذج المحاكاة في التصميم والتشغيل والإنشاء.

تُعدّ "الصواني" أو "الألواح" ذات الغطاء الفقاعي أحد أنواع الأجهزة الفيزيائية المستخدمة لتوفير تلامس جيد بين البخار المتصاعد والسائل المتدفق للأسفل داخل عمود التقطير الصناعي. وتظهر هذه الصواني في الشكلين 4 و5.

عادةً ما تكون كفاءة الصينية أو الصفيحة أقل من كفاءة مرحلة التوازن النظرية التي تبلغ كفاءتها 100% . ولذلك، يحتاج عمود التقطير التجزيئي في أغلب الأحيان إلى عدد أكبر من الصفائح الفعلية مقارنةً بالعدد المطلوب من مراحل التوازن النظرية بين البخار والسائل .

في التطبيقات الصناعية، يُستخدم أحيانًا مادة حشو في العمود بدلًا من الصواني، خاصةً عند الحاجة إلى انخفاضات ضغط منخفضة عبر العمود، كما هو الحال عند التشغيل تحت الفراغ . يمكن أن تكون مادة الحشو هذه حشوًا عشوائيًا ( بعرض 2.5-7.6 سم أو 1-3 بوصات ) مثل حلقات راشيج، أو صفائح معدنية مُهيكلة . تميل السوائل إلى ترطيب سطح الحشو، وتمر الأبخرة عبر هذا السطح المبلل، حيث يحدث انتقال الكتلة . تختلف الحشوات ذات الأشكال المختلفة في مساحة سطحها والفراغات بينها، ويؤثر هذان العاملان على أداء الحشو.  

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ كروسفيتز، جاكلين؛ سيدل، أرزا (2004). موسوعة كيرك-أوتمير للتكنولوجيا الكيميائية (  الطبعة الخامسة). هوبوكين، نيو جيرسي: وايلي-إنترساينس. ISBN 0-471-48810-0.
  2. ↑ سميث، جوليان؛ مكابي، وارن؛ هاريوت، بيتر (2004). عمليات الوحدة في الهندسة الكيميائية ( الطبعة السابعة). ماكجرو هيل. ISBN  0-07-284823-5.
  3. 1 2 كيستر، هنري ز. (1992). تصميم التقطير ( الطبعة الأولى). ماكجرو هيل. ISBN  0-07-034909-6.
  4. ↑ كينغ، سي جيه (1980). عمليات الفصل ( الطبعة الثانية). ماكجرو هيل. ISBN  0-07-034612-7.
  5. 1 2 3 4 بيري، روبرت هـ.؛ غرين، دون و. (1984). دليل بيري لمهندسي الكيمياء (الطبعة السادسة ). ماكجرو هيل. ISBN  0-07-049479-7.
  6. ↑ "أعمدة التقطير" . بروهاوس . مؤرشف من الأصل في 23 سبتمبر 2015. تم الاطلاع عليه في 4 أغسطس 2015 .
  7. ↑ فيلدر، ر.؛ روسيا، و. (2005). المبادئ الأساسية للعمليات الكيميائية ( الطبعة الثالثة). وايلي. ISBN  978-0-471-68757-3.
  8. ↑ بيتشوك، ميلتون (مايو 1951). "الحل الجبري لمخطط مكابي-ثيلي". التقدم في الهندسة الكيميائية .
  9. ↑ سيدر، جيه دي؛ هينلي، إرنست جيه. (1998). مبادئ عملية الفصل . نيويورك: وايلي. ISBN 0-471-58626-9.
  • استخدام أعمدة التقطير في قطاع النفط والغاز
  • المزيد من الرسومات للأواني الزجاجية بما في ذلك أعمدة فيغرو
  • نظرية التقطير ، إيفار ج. هالفورسن وسيغورد سكوجيستاد، الجامعة النرويجية للعلوم والتكنولوجيا، النرويج
  • التقطير: مقدمة بقلم مينغ ثام، جامعة نيوكاسل، المملكة المتحدة
  • تم أرشفة عملية التقطير بتاريخ 13 يوليو 2014 على موقع Wayback Machine بواسطة مجموعة التقطير، الولايات المتحدة الأمريكية
  • برنامج محاكاة التقطير
  • شرح التقطير التجزيئي لطلاب المرحلة الثانوية