پروژه طراحی برج های تحت فشار ۱۴۳ ص

Word2007777

عملیات انتقال جرم : Mass transfer operation

در بسیاری از عملیات واحدهای صنعتی که مرتبــط به مــهنــدسی شیمی می باشد هدف اصلی تغییر دادن غلظت اجزاء موجود در محلول ها و مخلوط های مختلف و بدست آوردن فرآورده های جدید است از آنجا که در اکثر این عملیات ها حفاظت ماهیت شیمیایی اجزاء مورد نظر می باشد این تغییر غلظت در اثر واکنش شیمیایی ایجاد نمی شود بلکه از طریق تفکیک فیزیکی اجزای تشکیل دهنده آن محلول یا مخــلوط از یکدیگــر عــملی می گردد.

در اکثر پراسسهای شیمیایی عملیات انتقال جرم اهمیت زیادی دارد در این فرآیندها معمولاً خالص تر کردن یک ماده اولیه و تبدیل آن به فرآیندهای مختلف و یا تفکیک یک فرآورده نهایی از یک فرآورده جــنبی مورد نــظر می باشد در اینگونه موارد اعمال خالص کردن یا تفکیک به کمک عملیات انتقال جرم صورت می پذیرد. به عنوان مثال می توان به واحدهای مختلف موجود در یک پالایشگاه نفت اشاره کرد.

در هر یک از این واحدها، عملیات انتقال جرم باعث تصفیه مواد خام اولیه و یا تفکیک فرآورده های مختلف از یکدیگر می شود.

((فهرست))

عنوان                                  صفحه

فصل اول :

۱٫عملیات انتقال جرم                                 ۱

۲٫انواع تقطیر                                    ۴

۳٫عملیات سیستم نیمه پیوسته                             ۸

۴٫خوراک مطلوب در برج                                   ۹

۵٫ سیستمهای دو جزئی                             ۱۰

۶٫عملیات تقطیر چند جزئی                          ۱۰

۷٫ سیستمهای تقطیر و فرعیات آن                           ۱۳

۸٫فرعیات بر ج تقطیر                              ۱۳

۹٫انواع جوش آورنده ها                               ۱۳

۱۰٫تقطیر در خلا                                   ۱۸

فصل دوم :

۱٫قوانین مربوط به تعادل                              ۲۱

۲٫فشار بخار اشباع                                    ۲۱

۳٫دیاگرام های فازی                              ۲۶

۴٫نمودار تعادل در فشار ثابت                          ۲۸

۵٫اثر فشار بر نمودار تعادل بخار- مایع در فشار ثابت              ۳۰

۶٫انحرافات مثبت از حالت ایده آل                         ۳۱

۷٫مینیمم نقطه جوش در مخلوطهای هم جوش                    ۳۲

۸٫انحلال پاره ای                                  ۳۳

۹٫مایعات نامحلول درهم – تقطیر به کمک بخار آب               ۳۵

۱۰٫ماکزیمم نقطه جوش در مخلوطهای هم جوش                   ۳۶

۱۱٫متغیر های موثر بر روی ضریب اکتویته                       ۳۸

فصل سوم : اصول مربوط به تقطیر مداوم

قوانین مربوط به تقطیر مداوم                           ۴۰

مینیمم تعداد سینی ها                             ۵۰

فصل چهارم : طراحی مکانیکی سینی ها      

۱٫طراحی مکانیکی سینیها                              ۶۷

۲٫انواع سینی ها و کاربرد آنها                            ۶۷

۳٫عملیات انتقال جرم بر روی سینی ها                      ۷۱

۴٫طراحی سینی های کلاهک دار                            ۷۶

۵٫موضوعات طراحی                                 ۷۷

۶٫آرایش سینی ها                                  ۸۰

۷٫زهکشی مایع                                    ۸۴

۸٫قطر برج                                       ۹۰

۹٫فاصله بین سینی ها و اندازه وفاصله سوراخ ها                    ۹۲

۱۰٫افت فشار سینی خشک                             ۹۲

فصل پنجم : برج تقطیراتمسفری (تحت فشار)

۱٫آنالیز نفت خام و اجزاء آن                            ۹۴

۵٫روش محاسبه برای تعین مشخصات نفت خام                     ۱۰۴

۶٫خواص عمومی اجزاء نفتی                               ۱۱۰

۷٫ میزان بازدهی محصول بالا سری                            ۱۱۱

۸٫ تقطیر محصولات                                   ۱۱۱

۹٫ خواص محصولات                               ۱۱۴

۱۰ اساس طراحی فرآیند                                ۱۱۴

۱۱٫ تخمین شرایط عملیاتی برج                           ۱۲۲

۱۲٫ اولین محصول جانبی                              ۱۲۲

۱۳٫ محاسبات سینی بالایی                                ۱۲۴

۱۴٫ محاسبات مینیمم رفلاکس                             ۱۲۶

۱۵٫ تخمین دمای سینی پایینی در شرایط مینیمم رفلاکس            ۱۲۷

۱۶٫ محاسبه قطر برج                               ۱۳۰

۱۷٫ مشخصات عمومی برجهای سینی دار                       ۱۳۰

۱۸٫ فواصل سینی ها از یکدیگر                          ۱۳۱

۲۰٫ سینی های غربالی                             ۱۳۵

 

انتقال جرم به چند صورت انجام می شود :

۱- انتقال جرم در اثر تماس مستقیم دو فاز مخلوط نشدنی:

در این حالت عملیات انتقال جرم بین دو فاز در این است که در حالتیکه تعادل ترمودینامیکی بین اجزای دو فاز برقرار است ترکیب اجزاء در فاز اول با ترکیب آنها در فاز دوم متفاوت می باشد. به این ترتیب می توان انتظار داشت که در نتیجه تماس دو فاز غلظت اجزای موجود در هر یک از آنها تغییر کرده و به غلظت مربوطه به حالت تعادل نزدیک گردد و در نتیجه انتقال جرم بین دو فاز مذکور صورت گیرد.

در برخی از موارد نتیجه انتقال جرم بین دو فاز در حال تماس، ایجاد یک ماده خالص و این در حالتی پیش می آید که یکی از فازهای در حال تعادل تنها از یک جزء تشکیل شده باشد ولی معمولاً هیچیک از فازهای در حال تعادل خالص نبوده بلکه چندین جزء مختلف را در بر می گیرد به این جهت زمانی که دو فاز در تماس با یکدیگر درمی آیند، توزیع غلظت اجزاء بین دو فاز متفاوت از توزیع آنها در حالت تعادل خواهد بود. دور بودن دو فاز از حالت تعدال با یکدیگر منجر به برقرار شدن انتقال جرم بین فازها می گردد این انتقال جرم در اثر نفوذ کند مولکولها انجام می شود و در نتیجه غلظت اجزاء درفازهای در حال تماس بتدریج تغییر کرده سمت غلــظت مربوط بـه حالت تعادل میل می کند در نتیجه تفکیک اجزاء از هم صورت می گیرد.

چون هر ماده می تواند تنها سه حالت گاز، مایع، و جامد وجود داشته باشد بنابراین هر یک از دو فاز حال تماس ممکن است به حالت مایع، گاز و یا جامد باشد بدین ترتیب حالتهای زیر ممکن است پیش آید :

حالت گاز ـ گاز : که در این حالت گازها در اثر تماس مستقیم با هم مخلوط می شوند و یک فاز واحد را به وجود می آورد.

حالت گاز ـ مایع : انتقال جرم بین دو فاز مایع و گاز از طریق دادن گرما و یا گرفتن سرما انجام پذیر است در این دو فاز در حال تعادلند و در نتیجه وجود این تعادل، اجزاء به نسبتهای متفاوت بین دو فاز توزیع شده، از یکدیگر تفکیک می گردند این عمل انتقال جرم را تقطیر جزء به جزء یا به طور ساده تقطیر می نامند.

حالت گاز ـ جامد : چنانچه قسمتی از یک جسم جامد در اثر گرم کردن بدون تبدیل شدن به مایع به صورت بخار آید، فاز بخار حاصل و جامد باقی مانده هر یک شامل کلیه اجزاء تشکیل دهنده جامد اولیه خواهد بود با این تفاوت که نسبت اجزاء در آنها تغییر کرده است این عمل انتقال جرم بین فاز جامد و فاز گاز را تصعید جزء به جزء یا تصـعید می نامند.

حالت مایع ـ مایع : چنانچه انتقال ماده ای در اثر تماس دو فاز مایع نا محلول در یکدیگر صورت گیرد عمل انتقال. را استخراج از مایع  گویند.

۲- انتقال جرم بین دو فاز درون غشاء :

در این حالت انتقال جرم بین دو فاز تنها از طریق نفوذ مولکولی در داخل غشاء انجام می گیرد به طوری که مولکولهای بعضی مواد از داخل غشاء عبور می کند در حالیکه بعضی دیگر قـادر بـه گذشـتن نمی باشند و در اینجا هم حالت مختلف گاز ـ گاز، مایع ـ مایع، مایع ـ گاز، … وجود دارد.

۳- تماس مستقیم دو فاز مخلوط نشدنی :

در مواری که دو فاز مخلوط نشدنی مستقیماً در تماس هستند به علت مخلوط شدن سریع آنها، گرادیان غلظت اجزاء بین دو فاز به سرعت از بین رفته عمل نفوذ مولکولی متوقف می گردد از این جهت جز در حالتهای خاص اینگونه عملیات دارای کاربردهای صنعتی نمی باشد.

در مراحل بالا انتخاب مناسبترین روشهای تفکیک در عملیات انتقال جرم بستگی به نوع پراسس و همچنین هزینه ای که در بردارد. که مهمترین ضابطه برای انتخاب هزینه ای است که هریک از روشهای تفکیک دربردارند.

تقطیر : Distillation

عمل تقطیر روشی است که در آن با توجه به قابلیت توزیع اجزاء بین فاز مایع و فاز مایع و فاز بخاری که در اثر گرما دادن ایجاد می شود، اجزاء موجود در یک محلول مایع از یکدیگر تفکیک می گردد به این ترتیب در عمل تقطیر اجزاء تشکیل دهنده فاز مایع در فاز بخار نیز موجود می باشد بر عکس عمل جذب یا دفع که تفکیک اجزاء با ورودی فاز جدید و مانند حلال صورت می گیرد، در عمل تقطیر فاز جدید در اثر افزایش یا کاهش گرمای محلول و تبخیرو یا چگالش آن حاصل می شود.

مزایای عمل تقطیر بر عملیات های دیگر نظیر جذب و دفع این است که در عمل تقطیر بخاطر اعمال و یا خارج کردن گرما فاز جدیدی که حاصل می شود ارزش گرمایی متفاوتی نسبت به فاز قبلی دارد. خوشبختانه افزودن و یا گرفتن گرما به آسانی صورت می گیرد هر چند در بسیاری از موارد انجام این کار مستلزم هزینه های زیادی است که لازم است همواره مورد نظر باشد از طرف دیگر، در عملیات جذب و دفع، فاز جدید در نتیجه افزودن یک ماده جدید ایجاد می گردد. بدین جهت جزء تفکیک شده به صورت محلول جدیدی بدست می آید که لازم به کمک سایر عملیات انتقال جرم از محلول جدید جدا گردد مگر اینکه محلول ایجاد شده بخوبی خود قابل استفاده باشد.

در بکاربردن عمل تقطیر محدودیتهایی نیز وجــود دارد بطـوریکــه نمی توان ادعا کرد که در کلیه موارد استفاده از این عمل بر سایر عملیات انتقال جرم برتری دارد مثلاً در عمل جذب و دیگر عملیات مشابه که از حلال به عنوان فاز در حال تماس با محلول اولیه استفاده می شود می توان از بین حلالهای مختلف حلالی را که عمل جذب را با سهولت و شدت بیشتری انجام می دهد انتخاب نمود مثلاً برای جذب گازهای هیدروکربنی، آب حلال مناسبی نمی باشد در عوض استفاده از روغنهای هیدروکربن به عنوان حلال برای این منظور بسیار مناسب است زیرا به عنوان ساختمان شیمیایی مشابه، گازهای هیدروکربن تمایل زیادی به انحلال در آن دارند ـ متأسفانه این آزادی انتخاب در فرآیندهای تقطیر وجود ندارد زیرا تنها عامل جدا کننده در تقطیر گرماست که در نتیجه اعمال آن فاز بخاری که حاصل می شود از لحاظ نوع اجزاء تشکیل دهنده کاملاً مشابه با مایع است و به خاطر همین تشابه شیمیایی موجود بین دو فاز اختلاف غلظت حاصله بین دو فاز معمولاً بسیار کم است در برخی از موارد این اختلاف غلظت بقدری ناچیز است که استفاده از تقطیر عملاً مقدور نمی باشد در برخی از موارد حتی اختلاف  غلظتی بین فاز بخار و فاز مایع وجود ندارد در این صورت تفکیک اجزاء به کمک تقطیر ممکن نخواهد بود.

به طور کلی نتیجه می شود که امکان استفاده از عمل تقطیر وجود دارد محصولات عمل به صورت خالص بوده، نیاز به تفکیک مجدد ندارد و بدین جهت می توان ادعا کرد که تقطیر متداولترین و مهمترین عمل در میان عملیات انتقال جرم است.

انواع تقطیر :

تقطیر جزئی یا تقطیر ساده :

Differential or simple distillation

قبل از اینکه تقطیر جزئی یا تقطیر ساده را شرح دهیم بهتر است که اشاره کوچکی به عمل یک مرحله ای ـ تبخیر ناگهانی داشته باشیم چون این تقریباً مثل هم هستند :

تبخیر ناگهانی عملی یک مرحله ای است که طی آن در داخل یک دستگاه قسمتی از یک مخلوط مایع، بخار شده با مایع باقی مانده به حالت تعادل می رسد. بخارهای حاصله و مایع باقی مانده سپس از یکدیگر جدا شده، از دستگاه خارج می شوند. عمل تبخیر ناگهانی را می توان به صورت ناپیوسته انجام داد نمونه ای از نمودار مسیر جریان فازها در یک عمل تبخیر ناگهانی پیوسته در شکل زیر داده شده است :

شکل ۱۰۱ : نمودار از یک عمل تبخیر ناگهانی پیوسته

ابتدا خوراک مایع با استفاده از یک مبدل حرارتی لوله ای معمولی و یا با عبور از درون لوله های یک کوره روغن سوز گرم می شود پس از آن فشار کاسته می شود تا تحت شرایط آدیاباتیک قسمتی از آن تبدیل به بخار شود سپس بخارهای حاصله و مایع باقی مانده وارد مخزن جدا کننده های می گردند تا از یکدیگر تفکیک شوند. همانطور که اشاره شد چنانچه در هر یک از بی نهایت تعداد مراحل متوالی تبخیر ناگهانی، مایع به مقدار بسیار جزئی تبخیر گردد نتیجه حاصله از مجموعه این مراحل معادل با یک عمل تقطیر جزئی و یا تقطیر ساده خواهد بود در عمل رسیدن کامل به چنین حالتی نامقدور اسـت و تنهــا به طور تقـریب می توان به آن نزدیک شد (شکل ۲-۱) این شکل یک دستگاه تقطیر نا مداوم را نشان می دهد. این دستگاه شامل دیگی است مجهز به یک منبع گرمایی مانند فضای دو جداره مرتبط به جریان بخار آب است.

مقدار مایعی که در دیگ است به آرامی می جوشد و بخار های حاصل به سرعت از دیگ خارج شده وارد چگالنده می گردد. تا مایع شده به عنوان محصول تقطیر شده در مخزن های گیرنده جمع آوری گردد این دستگاه در حقیقت مقیاس بزرگتری از دستگاه معمولی تقطیر آزمایشگاهی است که معمولاً از مجموعه یک بالن و یک چگالنده ساخته می شود. قسمتی از بخار که در ابتدای عمل تقطیر ایجاد می گردد فنی ترین غلظت را نسبت به جزء فرارتر دارا می باشد زیرا با ادامه عمل تقطیر غلظت این جزء در بخارهای حاصله به تدریج کاهش می یابد از این جهت برای تفکیک اجزاء مایع از یکدیگر می توان در زمانهای مختلف محصول تقدیر در مخازن گیرنده مختلف جمع آوری نمود. و بدین ترتیب برشهای مختلفی از محصول را با درجه خلوص متفاوت بدست آورد. مثلاً از مخلوط سه جزئی که شامل مقدار کمی از جزء بسیار فرار A و مقدار بسیاری از جزء B نسبتاً معتدل و مقدار کمی از جزء C با فراریت بسیار کم است می توان سه برش مختلف که هر کدام نسبت به یکی از اجزاء نسبتاً خالص است بدست آورد مقدار برش اول که از چگالش بخارهای فرار اولیه بدست می آید بسیار کم است ولی بیشتر آن از جزء A تشکیل شده  است مقدار زیادی از مواد تقطیر شده که به صورت محصول نسبتاً خالص از B با اندک ناخالصی هائی از A و C و همراه است به عنوان برش دوم جمع آوری می کرد در حالیکه مایع باقیمانده در دیگ (به عنوان برش سوم) بیشتر از جزء C تشکیل شده است.

ملاحظه می شود با وجودی که هنوز هر سه برش محتوی هر سه جزء C , B , C می باشند، تفکیک قابل ملاحظه ای بین اجزاء صورت گرفته است.

برای اینکه چنین عمل تقطیری به حالت ایده آل تقطیر جزئی نزدیک شود لازم است تبخیر مایع در دیگ به قدری کند انجام می گیرد که بخار حاصله همواره در حال تعادل با مایع باقیمانده باشد. همچنین لازم است تمام عواملی را که موجب پیدایش ماندگی قطرات مایع در فاز بخار می گردد از بین برد و از سرد شدن و چگالش بخار قبل از ورود به چگالنده جلوگیری کرد. با وجودی که در عمل ایجاد این شرایط غیر ممکن است و از این نظر رسیدن به حالت ایده آل تقطیر جزئی مقدور نیست ولی مطالعه عمل تقطیر جزئی و نتاریج حاصله از آن بسیار مفید و گزینش آن به عنوان مقایسه ای بسیار مناسب است.

کاربردهای تقطیر نیمه پیوسته :

: the uses Batch distillation

تقطیر نیمه پیوسته از نظر مفهومی ساده تر از تقطیر پیوسته می باشد اگر یک مخلوطی را در دیگ بخار کرده و آن را حرارت دهیم تا اینکه مخلوط تبخیر شود، بخار حاصل کندانس شده دارای فراکشنهای مختلف است و چون غلظت اجراء سبک در بخار بیشتر از مایع است، لذا فراکشنهای کندانس شده از مخلوط اولیه در ابتدا از اجزاء سبکتر غنی تر خواهد بود و به تدریج از غلظت این فراکشنها کاسته می شود. این تبخیر تک مرحله ای را تقطیر ساده یا تقطیر جزئی گویند.

نوشته پروژه طراحی برج های تحت فشار ۱۴۳ ص اولین بار در مرکز دانلود پروژه ها و مقالات اماده پدیدار شد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *