تجهیزات برجهای شیمیایی: 【موضوع هفتگی】 لطفاً درباره اصول فرآیند استیکنینگ و کاربردهای آن در صنعت پتروشیمی صحبت کنید (۱۷.۰۷.۲۰۱۱–۳۰.۰۷.۲۰۱۱)
Thread Content
آخرین بار، این پست توسط wu_pb در تاریخ ۲۰۱۱-۷-۱۷ ساعت ۲۲:۰۷ ویرایش شد. لطفاً درباره اصول فرآیند استفشار و کاربردهای آن در صنعت پتروشیمی صحبت کنید. مانند استفاده در تجهیزات رفتارشناسی نفت برای پیشپردازش نفت خام، جهت تبخیر رطوبت موجود و اجزای سبک آن.
روش تبخیر، فشار سیستم را در دمای مشخصی کاهش میدهد و با استفاده از ویژگی متفاوت بودن نرخ تبخیر اجزای مختلف در همان دما، مقدار زیادی از هیدروکربنهای سبک کربن ۱ تا کربن ۴ را تبخیر میکند تا بتوان آنها را از نفت خام جدا کرد. روش استریلسازی با تبخیر میتواند در فشار منفی انجام شود. پس از تخلیه آب نفت خام، معمولاً فرآیند فلاشینگ تحت فشار منفی در دمای ۵۵ تا ۶۵ درجه سانتیگراد و فشار ۰.۰۶ تا ۰.۰۸ مگاپاسکال (مطلق) انجام میشود. میتواند تبخیر حرارتی نیز باشد. معمولاً فرآیند فلشتراپینگ در فشار ۰.۲۵ تا ۰.۳ مگاپاسکال (خلأ) و دمای ۱۲۰ درجه سانتیگراد انجام میشود.
پاسخ به ۱# wu_pb بر اساس قانون هنری P=EX، در دماها و فشارهای جزئی مختلف، حلالیت مواد محلول در فاز گازی در حلال فاز مایع متفاوت است. هنگامی که فشار حلال کاهش مییابد، مواد محلول در حلال به سرعت آزاد شده و خارج میشوند و در نتیجه فرآیند تبخیر ناگهانی رخ میدهد. انرژی فراورش توسط خود حلال تأمین میشود، بنابراین در طول فرآیند فراورش، دمای حلال کاهش مییابد. از یک فشار مشخص بالاتر تا یک فشار مشخص پایینتر، هنگامی که تعادل دیساسیون برقرار میشود، مقدار محلول آزاد شده ثابت است و مقدار محلول باقیمانده در حلال نیز ثابت است. بنابراین، تنها هدف کنترل فرآیند استیکشدن، فشار مربوط به آن است.
قانون هنری: یکی از قوانین بنیادی فیزیک شیمی؛ این قانون توسط ویلیام هنری، اهل انگلستان، در سال ۱۸۰۳ هنگام مطالعه قوانین حل شدن گازها در مایعات کشف شد. این قانون را میتوان اینگونه بیان کرد: «در دمای مشخصی، غلظت یک گاز در محلول، متناسب با فشار تعادلی آن گاز بر سطح مایع است.» ”آزمایشها نشان دادهاند که این قانون تنها زمانی صادق است که حلالیت گاز در مایع چندان بالا نباشد؛ در چنین شرایطی، گاز در واقع یک محلول رقیق از یک ماده فرار است و فشار گاز، فشار بخار آن ماده فرار میباشد. بنابراین، قانون هنری را میتوان اینگونه نیز بیان کرد: در دمای ثابتی، فشار بخار محلول در محلولهای رقیق، متناسب با غلظت محلول است:
pB = kxB
در این رابطه، pB فشار بخار محلول در محلول رقیق است ； xB ضریب مقدار مولی محلول است ； k ثابت هنری است که مقدار آن به دما، فشار و ویژگیهای ماده حلشونده و حلال بستگی دارد. از آنجایی که در محلولهای رقیق، غلظتهای مختلف با یکدیگر متناسب هستند، xB در فرمول بالا میتواند mB (غلظت جرمی) یا cB (غلظت مولی) نیز باشد؛ در این صورت مقدار k نیز تغییر خواهد کرد. قانون هنری تنها زمانی قابل اعمال است که حالت مولکولی محلول در فاز گازی و فاز مایع یکسان باشد. اگر مولکولهای محلول در محلول دچار تجزیه، اتحاد و غیره شوند، آنگاه xB (یا mB، cB و غیره) در فرمول بالا باید به میزان آن بخش اشاره داشته باشد که حالت مولکولی آن مشابه حالت مولکولها در فاز گازی است ； هنگامی که فشار کلی زیاد نباشد، اگر چندین گاز به طور همزمان در یک مایع حل شوند، قانون هنری میتواند به طور جداگانه برای هر یک از این گازها صادق باشد ； به طور کلی، هرچه محلول رقیقتر باشد، قانون هنری دقیقتر خواهد بود و در حالتی که xB→0، ماده حلشده میتواند به طور کامل از این قانون پیروی کند. اصل کار: عمدتاً از کاهش فشار، که منجر به کاهش فشار بخار میشود، برای تبدیل مقدار بیشتری از حلال (معمولاً آب) به حالت گازی و در نتیجه رسیدن به خلوص بالاتر استفاده میشود. ساختار: بسیار ساده است. قطر باید کمی بزرگتر باشد، شبیه یک سپاراتور گردبادی است. البته باید ارتفاع مشخصی حفظ شود، وگرنه مایع نیز خارج میشود. فراورش بخار به این معناست که آب متخلخل تحت فشار بالا، وقتی وارد مخزنی با فشار کمتر میشود، به دلیل کاهش ناگهانی فشار، به بخشی از بخار متخلخل و آب متخلخل در فشار مخزن تبدیل میشود. دلیل شکلگیری: هنگامی که آب تحت فشار جو گرم میشود، دمای ۱۰۰ درجه سانتیگراد بالاترین دمایی است که آب مایع در آن فشار میتواند تحمل کند. گرم کردن مجدد نیز نمیتواند دمای آب را افزایش دهد، بلکه تنها آب را به بخار تبدیل میکند. گرمایی که آب در فرآیند افزایش دما تا نقطه جوش میگیرد، «گرمای ظاهری» نامیده میشود یا گرمای ظاهری آب اشباع. گرمای مورد نیاز برای تبدیل آب اشباع به بخار در یک فشار جوی یکسان، «حرارت نهفته» نامیده میشود. با این حال، اگر آب را تحت فشار مشخصی گرم کنیم، نقطه جوش آب بالاتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد خواهد بود؛ بنابراین به گرمای ظاهری بیشتری نیاز است. هرچه فشار بیشتر باشد، نقطه جوش آب بالاتر رفته و گنجایش حرارتی آن نیز بیشتر میشود. فشار کاهش مییابد و بخشی از گرمای نمایی آزاد میشود؛ این گرمای اضافی به صورت گرمای پنهان جذب میشود و باعث میشود بخشی از آب به صورت بخار تبدیل شود. وضعیت واقعی: فرآیند استفشار در سیستمهای لولهکشی رخ میدهد که میتواند باعث آسیب ناشی از خروج بخار به شیرها شود. میتوان از شیرهای فشار بالای مقاوم در برابر خروج بخار استفاده کرد؛ ویژگی این شیرها، تقسیم فشار از طریق چندین مرحله تنگکردن لوله است. همچنین میتوان از موادی که در برابر خروج بخار مقاوم هستند، استفاده کرد. استریلسازی نیز میتواند به عنوان منبع انرژی، در بازیابی آبهای تخلیه شده از دیگها در نیروگاههای بخار و همچنین در تولید انرژی از گرمای زمین مورد استفاده قرار گیرد. در فرآیند استفشار، باید به بخارات حاصل از استفشار نیز توجه کرد. بخارات استفشاری چیست؟ هنگامی که فشار آب متراکم حرارتی یا آب دیگ بخار در یک فشار مشخص کاهش مییابد، بخشی از آب دوباره تبخیر میشود و بخار حاصل، همان بخار فلش است. چرا بخار استفشاری مهم است؟ زیرا حاوی گرمایی است که میتواند فعالیتهای اقتصادی کارخانه را تأمین کند؛ بدون استفاده از آن، انرژی به هدر خواهد رفت. بخار فراوری چگونه تشکیل میشود؟ هنگامی که آب تحت فشار جو گرم میشود، ۱۰۰ درجه سانتیگراد بالاترین دمایی است که آب مایع در آن فشار میتواند داشته باشد. گرم کردن مجدد نیز نمیتواند دمای آب را افزایش دهد، بلکه تنها آب را به بخار تبدیل میکند. گرمایی که آب در فرآیند افزایش دما تا نقطه جوش میگیرد، «گرمای ظاهری» نامیده میشود یا گرمای ظاهری آب اشباع. گرمای مورد نیاز برای تبدیل آب اشباع به بخار در یک فشار جوی یکسان، «حرارت نهفته» نامیده میشود. با این حال، اگر آب را تحت فشار مشخصی گرم کنیم، نقطه جوش آب بالاتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد خواهد بود؛ بنابراین به گرمای ظاهری بیشتری نیاز است. هرچه فشار بیشتر باشد، نقطه جوش آب بالاتر رفته و گنجایش حرارتی آن نیز بیشتر میشود. فشار کاهش مییابد و بخشی از گرمای نمایی آزاد میشود؛ این گرمای اضافی به صورت گرمای پنهان جذب میشود و باعث میشود بخشی از آب به صورت بخار تبدیل شود. فراورش بخارات نیز کاربردهای مفیدی دارد، مانند فناوری تقطیر فراورشی: ایجاد خلأ، کاهش نقطه جوش، جوشیدن در دمای کمتر از ۱۰۰ درجه، و سپس حذف آب متراکم شده. مزیت آن این است که مواد تحت تأثیر دمای بالا آسیب نمیبینند و معمولاً در صنایع غذایی و داروسازی استفاده میشوند. نحوه کار: از تفاوتهای فراریت اجزای مختلف در مخلوط مایعات استفاده میشود؛ با استفاده از انرژی حرارتی، بخشی از این مخلوط به حالت بخار درمیآید. در نتیجه، اجزای سبکتر در فاز بخار و اجزای سنگینتر در فاز مایع تجمع پیدا کرده و اینگونه اجزا از یکدیگر جدا میشوند. در واقع، در محاسبات تقطیر برج، برای هر پلتهی تئوریک باید چنین محاسبات فلاشی انجام شود؛ اما در اینجا نام معمول آن «محاسبات سطح تعادل» است. از نظر تئوری، این روش دقیقتر است، اما محتوای محاسبات کاملاً یکسان است. هر محاسبهی دقیق، چه فلاشی و چه سطح تعادل، باید سه تعادل زیر را برآورده کند: تعادل جرمی، تعادل انرژی و تعادل فازی. بنابراین، یک ماژول محاسباتی استاندارد برای فلاش، میتواند هم تغییرات فشار (افزایش یا کاهش) را پردازش کند و هم تبادل حرارت و کار. تبادل کارهای داخلی و خارجی و تبادل حرارت عمدتاً در تعادل انرژی منعکس میشود، در حالی که تعادل جرمی و تعادل فازی عمدتاً میزان تبخیر و ترکیب فازهای گازی و مایعی را تعیین میکنند. علاوه بر این، محاسبات فلاش یک وظیفهی بسیار مهم و دشوار دیگر نیز دارد؛ و آن تشخیص این است که حالت مشخصشده در واقع در دو فاز گازی و مایعی است یا فقط در فاز گازی یا فقط در فاز مایعی. همچنین، محاسبات تعادل مایعات نیز معمولاً توسط محاسبات فلاش انجام میشود؛ البته برخی نرمافزارها به تنهایی برای این کار استفاده میشوند، زیرا سختی محاسبات بیشتر است. توضیحات فوق دربارهی فلاش صرفاً نظر یک نفر است و چندان دقیق نیست، اما نسبتاً دقیقتر است. در کل، چه از PROII، ASPEN یا HYSIS استفاده کنید، محاسبات فلاش واقعاً بخش اساسی و محوری آنهاست.
قانون هنری: یکی از قوانین بنیادی فیزیک شیمی؛ این قانون توسط ویلیام هنری، اهل انگلستان، در سال ۱۸۰۳ هنگام مطالعه قوانین حل شدن گازها در مایعات کشف شد. این قانون را میتوان اینگونه بیان کرد: «در دمای مشخصی، غلظت یک گاز در محلول، متناسب با فشار تعادلی آن گاز بر سطح مایع است.» ”آزمایشها نشان دادهاند که این قانون تنها زمانی صادق است که حلالیت گاز در مایع چندان بالا نباشد؛ در چنین شرایطی، گاز در واقع یک محلول رقیق از یک ماده فرار است و فشار گاز، فشار بخار آن ماده فرار میباشد. بنابراین، قانون هنری را میتوان اینگونه نیز بیان کرد: در دمای ثابتی، فشار بخار محلول در محلولهای رقیق، متناسب با غلظت محلول است:
pB = kxB
در این رابطه، pB فشار بخار محلول در محلول رقیق است ； xB ضریب مقدار مولی محلول است ； k ثابت هنری است که مقدار آن به دما، فشار و ویژگیهای ماده حلشونده و حلال بستگی دارد. از آنجایی که در محلولهای رقیق، غلظتهای مختلف با یکدیگر متناسب هستند، xB در فرمول بالا میتواند mB (غلظت جرمی) یا cB (غلظت مولی) نیز باشد؛ در این صورت مقدار k نیز تغییر خواهد کرد. قانون هنری تنها زمانی قابل اعمال است که حالت مولکولی محلول در فاز گازی و فاز مایع یکسان باشد. اگر مولکولهای محلول در محلول دچار تجزیه، اتحاد و غیره شوند، آنگاه xB (یا mB، cB و غیره) در فرمول بالا باید به میزان آن بخش اشاره داشته باشد که حالت مولکولی آن مشابه حالت مولکولها در فاز گازی است ； هنگامی که فشار کلی زیاد نباشد، اگر چندین گاز به طور همزمان در یک مایع حل شوند، قانون هنری میتواند به طور جداگانه برای هر یک از این گازها صادق باشد ； به طور کلی، هرچه محلول رقیقتر باشد، قانون هنری دقیقتر خواهد بود و در حالتی که xB→0، ماده حلشده میتواند به طور کامل از این قانون پیروی کند. اصل کار: عمدتاً از کاهش فشار، که منجر به کاهش فشار بخار میشود، برای تبدیل مقدار بیشتری از حلال (معمولاً آب) به حالت گازی و در نتیجه رسیدن به خلوص بالاتر استفاده میشود. ساختار: بسیار ساده است. قطر باید کمی بزرگتر باشد، شبیه یک سپاراتور گردبادی است. البته باید ارتفاع مشخصی حفظ شود، وگرنه مایع نیز خارج میشود. فراورش بخار به این معناست که آب متخلخل تحت فشار بالا، وقتی وارد مخزنی با فشار کمتر میشود، به دلیل کاهش ناگهانی فشار، به بخشی از بخار متخلخل و آب متخلخل در فشار مخزن تبدیل میشود. دلیل شکلگیری: هنگامی که آب تحت فشار جو گرم میشود، دمای ۱۰۰ درجه سانتیگراد بالاترین دمایی است که آب مایع در آن فشار میتواند تحمل کند. گرم کردن مجدد نیز نمیتواند دمای آب را افزایش دهد، بلکه تنها آب را به بخار تبدیل میکند. گرمایی که آب در فرآیند افزایش دما تا نقطه جوش میگیرد، «گرمای ظاهری» نامیده میشود یا گرمای ظاهری آب اشباع. گرمای مورد نیاز برای تبدیل آب اشباع به بخار در یک فشار جوی یکسان، «حرارت نهفته» نامیده میشود. با این حال، اگر آب را تحت فشار مشخصی گرم کنیم، نقطه جوش آب بالاتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد خواهد بود؛ بنابراین به گرمای ظاهری بیشتری نیاز است. هرچه فشار بیشتر باشد، نقطه جوش آب بالاتر رفته و گنجایش حرارتی آن نیز بیشتر میشود. فشار کاهش مییابد و بخشی از گرمای نمایی آزاد میشود؛ این گرمای اضافی به صورت گرمای پنهان جذب میشود و باعث میشود بخشی از آب به صورت بخار تبدیل شود. وضعیت واقعی: فرآیند استفشار در سیستمهای لولهکشی رخ میدهد که میتواند باعث آسیب ناشی از خروج بخار به شیرها شود. میتوان از شیرهای فشار بالای مقاوم در برابر خروج بخار استفاده کرد؛ ویژگی این شیرها، تقسیم فشار از طریق چندین مرحله تنگکردن لوله است. همچنین میتوان از موادی که در برابر خروج بخار مقاوم هستند، استفاده کرد. استریلسازی نیز میتواند به عنوان منبع انرژی، در بازیابی آبهای تخلیه شده از دیگها در نیروگاههای بخار و همچنین در تولید انرژی از گرمای زمین مورد استفاده قرار گیرد. در فرآیند استفشار، باید به بخارات حاصل از استفشار نیز توجه کرد. بخارات استفشاری چیست؟ هنگامی که فشار آب متراکم حرارتی یا آب دیگ بخار در یک فشار مشخص کاهش مییابد، بخشی از آب دوباره تبخیر میشود و بخار حاصل، همان بخار فلش است. چرا بخار استفشاری مهم است؟ زیرا حاوی گرمایی است که میتواند فعالیتهای اقتصادی کارخانه را تأمین کند؛ بدون استفاده از آن، انرژی به هدر خواهد رفت. بخار فراوری چگونه تشکیل میشود؟ هنگامی که آب تحت فشار جو گرم میشود، ۱۰۰ درجه سانتیگراد بالاترین دمایی است که آب مایع در آن فشار میتواند داشته باشد. گرم کردن مجدد نیز نمیتواند دمای آب را افزایش دهد، بلکه تنها آب را به بخار تبدیل میکند. گرمایی که آب در فرآیند افزایش دما تا نقطه جوش میگیرد، «گرمای ظاهری» نامیده میشود یا گرمای ظاهری آب اشباع. گرمای مورد نیاز برای تبدیل آب اشباع به بخار در یک فشار جوی یکسان، «حرارت نهفته» نامیده میشود. با این حال، اگر آب را تحت فشار مشخصی گرم کنیم، نقطه جوش آب بالاتر از ۱۰۰ درجه سانتیگراد خواهد بود؛ بنابراین به گرمای ظاهری بیشتری نیاز است. هرچه فشار بیشتر باشد، نقطه جوش آب بالاتر رفته و گنجایش حرارتی آن نیز بیشتر میشود. فشار کاهش مییابد و بخشی از گرمای نمایی آزاد میشود؛ این گرمای اضافی به صورت گرمای پنهان جذب میشود و باعث میشود بخشی از آب به صورت بخار تبدیل شود. فراورش بخارات نیز کاربردهای مفیدی دارد، مانند فناوری تقطیر فراورشی: ایجاد خلأ، کاهش نقطه جوش، جوشیدن در دمای کمتر از ۱۰۰ درجه، و سپس حذف آب متراکم شده. مزیت آن این است که مواد تحت تأثیر دمای بالا آسیب نمیبینند و معمولاً در صنایع غذایی و داروسازی استفاده میشوند. نحوه کار: از تفاوتهای فراریت اجزای مختلف در مخلوط مایعات استفاده میشود؛ با استفاده از انرژی حرارتی، بخشی از این مخلوط به حالت بخار درمیآید. در نتیجه، اجزای سبکتر در فاز بخار و اجزای سنگینتر در فاز مایع تجمع پیدا کرده و اینگونه اجزا از یکدیگر جدا میشوند. در واقع، در محاسبات تقطیر برج، برای هر پلتهی تئوریک باید چنین محاسبات فلاشی انجام شود؛ اما در اینجا نام معمول آن «محاسبات سطح تعادل» است. از نظر تئوری، این روش دقیقتر است، اما محتوای محاسبات کاملاً یکسان است. هر محاسبهی دقیق، چه فلاشی و چه سطح تعادل، باید سه تعادل زیر را برآورده کند: تعادل جرمی، تعادل انرژی و تعادل فازی. بنابراین، یک ماژول محاسباتی استاندارد برای فلاش، میتواند هم تغییرات فشار (افزایش یا کاهش) را پردازش کند و هم تبادل حرارت و کار. تبادل کارهای داخلی و خارجی و تبادل حرارت عمدتاً در تعادل انرژی منعکس میشود، در حالی که تعادل جرمی و تعادل فازی عمدتاً میزان تبخیر و ترکیب فازهای گازی و مایعی را تعیین میکنند. علاوه بر این، محاسبات فلاش یک وظیفهی بسیار مهم و دشوار دیگر نیز دارد؛ و آن تشخیص این است که حالت مشخصشده در واقع در دو فاز گازی و مایعی است یا فقط در فاز گازی یا فقط در فاز مایعی. همچنین، محاسبات تعادل مایعات نیز معمولاً توسط محاسبات فلاش انجام میشود؛ البته برخی نرمافزارها به تنهایی برای این کار استفاده میشوند، زیرا سختی محاسبات بیشتر است. توضیحات فوق دربارهی فلاش صرفاً نظر یک نفر است و چندان دقیق نیست، اما نسبتاً دقیقتر است. در کل، چه از PROII، ASPEN یا HYSIS استفاده کنید، محاسبات فلاش واقعاً بخش اساسی و محوری آنهاست.
فراورش بخار به این معناست که آب متخلخل تحت فشار بالا، وقتی وارد مخزنی با فشار کمتر میشود، به دلیل کاهش ناگهانی فشار، به بخشی از بخار متخلخل و آب متخلخل در فشار مخزن تبدیل میشود.
فراورش بخار به این معناست که آب متخلخل تحت فشار بالا، وقتی وارد مخزنی با فشار کمتر میشود، به دلیل کاهش ناگهانی فشار، به بخشی از بخار متخلخل و آب متخلخل در فشار مخزن تبدیل میشود.
فرآیند ورود بخار با فشار و دمای بالا به یک مخزن خالی، همان فرآیند جداسازی برخی از ترکیبات است؛ قانونی که در این فرآیند حاکم است، همان قانون هنری است!