انتقال جرم
1-8 مقدمه
مهمترین واحدهای عملیاتی گاز – مایع عبارتند از تقطیر، جذب، دفع، رطوبت گیری. این واحدهای عملیاتی می توانند توام با انتقال جرم و حرارت باشند. از طرفی در بعضی گرادیان غلظت و نفوذ در هر دو فاز قرار می گیرد و حداقل یک جزء در دو فاز نفوذ می کند ( مانند جذب جزء خاص از مخلوط گازی توسط حلال مایع ) و در بعضی انتقال جرم در هر دو فاز صورت می گیرد و کلیه اجزاء در هر دو فاز نفوذ می کنند ( مانند تقطیر). لذا پیچیدگی واحدهای فوق از تقطیر تا رطوبت گیری کاهش می یابد.
دستگاههای مختلفی برای تماس هر چه بهتر و انتقال جرم با راندمان بالاتر برای سیستم گاز – مایع استفاده شده اند. از جمله این دستگاهها می توان ظروف مجهز به توزیع کننده گاز ( Sparger)، ظروف مجهز به بهم زدن مکانیکی، شوینده های ونتوری، ستونهای دیواره مرطوب، ستونهای پاشنده، ستونهای سینی دار و ستونهای پر شده را نام برد. در بسیاری از این دستگاهها به منظور بالا بردن سطح تماس بین دو فاز، یکی از فازها به صورت حبابها یا قطرات کروی یا فیلم مایع در تماس با فاز مداوم دیگر قرار می گیرد. سطح تماس و نحوه پراکندگی یک فاز در فاز دیگر (فاز مداوم) از پارامترهای مهم در طراحی هستند.
ظروف مجهز به توزیع کننده گاز
ظروف مجهز به Spargerها برای سیستم های گاز – مایع بدون واکنش شیمیایی و یا به همراه واکنش شیمیایی استفاده شده اند. Spargerها (توزیع کننده حبابها) وسایلی هستند که با استفاده از آنها می توان حبابهای گازی را در یک سیال مایع (فاز مداوم) ایجاد نمود. گاهی این توزیع کننده ها از لوله های ساده تشکیل شده اند. و گاهی توزیع کننده هایی طراحی شده اند که از سوراخهای تعبیه شده در توزیع کننده، حبابهای گازی ایجاد می شود. قطر سوراخها معمولاً 3 – 5/1 میلیمتر و فاصله آنها حداقل سه برابر قطر حباب تولیدی توصیه شده است. توزیع کننده های گاز خود نقش بهم زننده و ایجاد تلاطم درون ظرف را نیز دارند.
انتقال جرم در ظروف مجهز به Sparger
در این گونه ظروف و در تماس دو فاز گاز – مایع معمولاً بیشترین مقاومت در مقابل انتقال جرم در فیلم فاز مایع و در اطراف حباب قرار می گیرد و از مقاومت درون فاز گاز (به لحاظ ویسکوزیته کم و وجود چرخش های درونی بالا بخصوص در حبابهای متوسط و بزرگ) صرف نظر می شود. تماس دو فاز در اینگونه ظروف به صورت مداوم یا پیوسته، نیمه پیوسته و ناپیوسته امکان پذیر است.
روابط زیادی برای دستیابی به ضرایب انتقال جرم فیلم مایع (در اطراف حباب کروی) در چنین سیستمهایی ارائه شده است که از آن جمله به رابطه زیر می توان اشاره نمود.
که در این رابطه:
یک حباب
مجموعه حبابها
رابطه فوق برای سیستمهای با یک حباب تنها و مجموعه حبابها در نظر گرفته شده است. واضح است که در بسیاری از واحدهای عملیاتی واقعی با مجموعه حبابها برخورد خواهیم کرد.
ظروف مجهز به بهم زن
یکی از دستگاههای عملیاتی گالز – مایع، ظروف مجهز به بهم زن می باشد که در این ظروف، بهم زن توسط شفتی درون ظرف قرار می گیرد و با بهم زدن سیال درون ظرف اختلاط صورت می گیرد. این ظروف برای بهم زدن جامدات، مایعات و گازها در مایعات دیگر به همراه و یا بدون واکنش شیمیایی استفاده می شود. میزان اختلاط و ایجاد جریان متلاطم درون آنها فوق العاده بالاست و با پراکندگی یک فاز در فاز دیگر انتقال جرم به خوبی صورت می گیرد.
این ظروف معمولاً به شکل استوانه ای بوده و عمق مایع درون ظرف معممولاً در حد یک تا دو برابر قطر ظروف انتخاب می شود.
توزیع گاز معمولاً از طریق Sparger (که در زیر پره قرار داده شده است) دایره ای شکل و با قطری کمتر از یا در حد قطر پره مورد استفاده در ظرف از طریق سوراخهایی که رو به بالا ایجاد شده است وارد ظرف می شود. قطر سوراخها حدود mm 5/6 – 3 و تعداد آنها در حدی توصیه شده است که عدد رینولدز سوراخ توزیع کننده (Sparger) در حدود 10000 و یا بیشتر باشد.
سرعت فاز گاز از هر سوراخ توزیع کننده و d0 قطر سوراخ می باشد. فاصله سوراخها نباید کمتر از قطر قطره تولیدی توسط سوراخ باشد. در صورت نیاز به زمان تماس بیشتر بین دو فاز از تانکهای عمیق تر و با قطر کمتری استفاده می شود و معممولاً از دو یا چند پره برای اختلاط که برروی یک شفت نصب شده است، استفاده می کنند. عمق تانکها بیش از m5-3 توصیه نمی شود.
پره های مختلفی برای استفاده در اینگونه ظروف طراحی شده اند، لیکن بخش عمده پره های مورد استفاده از نوع توربینی باز و یا دیسکی به همراه تیغه های تعبیه شده روی آن می باشد. این پره به لحاظ ایجاد جریان عمود بر جهت حرکت حبابهای گاز (به سمت بالا) و بخصوص در مقیاس های بزرگ بیشتر توصیه شده است. قطر پره ها معمولاً در حد (4/0 – 2/0) برابر قطر ظرف می باشد (
پره ها باید به گونه ای درون ظرف قرار گیرند که حداقل به اندازه قطر پره از کف ظرف فاصله داشته باشند.
افت فشار – بررسی افت فشار بخار از پارامترهای مهم در طراحی سینی می باشد، بخصوص اگر ستون در شرایط خلا کار نماید. اصولاً افت فشار بستگی به جزئیات طراحی سینی ها دارد. لیکن در یک نگاه اجمالی افت فشار سینی های مشبک نسبت به افت فشار سینی های شیردار و سینی شیردار نسبت به سینی فنجانی کمتر می باشد.
بنابراین در یک نگاه اجمالی استفاده از سینی های مشبک به لحاظ ارزان بودن و انعطاف پذیری قابل قبول در محدوده طراحی و افت فشار کم توصیه می شود
مراحل طراحی هیدرولیکی یک سینی
مقدمه
طراحی یک سینی مانند بسیاری از طراحی های مهندسی، ترکیبی از تجربه و تئوری می باشد. در این خصوص از روابط نیمه تئوری و اطلاعات حاصل از مقیاس صنعتی و نیمه صنعتی برای طراحی استفاده می شود.
اصولاً طراحی هیدرولیکی سینی باید به گونه ای باشد که تماس دو فاز بخار و مایع (در تقطیر) بخوبی صورت گیرد؛ هلدآپ فاز مایع (ماندگی) به اندازه کافی باشد تا تقریبا/ض تمامی قسمتهای فعال سینی از مایع پر شود. و سینی با راندمان بهتری کار کند؛ سطح فعال و فاصله سینی ها به اندازه باشد؛ مقدار Entrainment و افت فشار در حد قابل قبول بوده و تعداد ناودانی ها به اندازه کافی باشد تا جریان مایع به راحتی از یک سینی به سینی دیگر منتقل شود. مراحل طراحی زیر که برای طراحی سینی مشبک و به روش حدس و خطا ارائه شده است. برای سینی ها نیز با تغییرات بسیار جزئی در بعضی مراحل طراحی قابل استفاده است.
مراحل طراحی یک سینی مشبک :
1- دستیابی به حداکثر و حداقل دبی فاز مایع و بخار ، نسبت Turn down ratio فازها
2- جمع آوری و تخمین خصمصیات فیزیکی
3- انتخاب فاصله بین سینی ها
4- تخمین قطر ستون (برمبنای کسری از طغیان)
5- انتخاب الگوی جریان روی سینی
6-دستیابی اولیه به سطوح مختلف روی سینی، سطح ناودانی، سطح فعال، سطح سوراخه شده، سطح سوراخها، قطر سوراخ، تعداد سوراخ ها و ارتفاع سد
7- بررسی سرعت چکه کردن مایع (پدیده Weeping) و در صورتیکه مقدار چکه کردن بیش از حد توصیه شده باشد، به مرحله 6 برمی گردیم.
8- بررسی سرعت افت فشار و در صورت نیاز بازگشت به مرحله6
9- بررسی ارتفاع مایع و زمان توقف مایع درون ناودانی و در صورت نیاز بازگشت به مرحله6 یا3
10- تصمیم گیری در مورد جزئیات سسینی، منطقه ارامش، سطوح سوراخ نشده، فاصله سوراخ ها و در صورت لزوم بازگشت به مرحله6
11- محاسبه مجدد درصد طغیان بر اساس قطر ستون بدست آمده
12- بررسی مقدار Entrainment (کشیده شده فاز مایع توسط بخار به سمت بالا) و در صورت نیاز برگشت به مرحله4
13- تکرار تمامی مراحل 3 الی 12 و دستیابی به حداقل قطر ستون و حداقل فاصله سینی ها که مورد قبول باشد.
14- نهایی کردن طراحی با رسم سینی به همراه جزئیات سینی طراحی شده
فاصله بین سینی ها
فاصله بین سینی ها بستگی به قطر ستون و شرایط عملیاتی دارد. معمولاً هر چقدر قطر ستون بیشتر باشد، فاصله بین دو سینی بیشتر است. فاصله بین دو سینی 15/0متر تا 1 متر استفاده شده است. معمولاً فاصله کم بین سینی ها برای مواقعی که قطر ستون کم است و یا احتمالا/ض ستون درون ساختمان مسقف قرار می گیرد و محدودیت ارتفاع وجود دارد استفاده شده می شود. برای ستونهای با قطر 1متر ، فواصل سینی ها بیشتر بین3/0 تا 6/0 متر استفاده شده است. به عنوان اولین حدس فاصله بین سینی ها 5/0متر تخمین بسیار خوبی است. در مواضع ورودی خوراک، خروج محصول جانبی و ورود فرد به داخل ستون فاصله دو سینی مجاور بیشتر خواهد بود.
تخمین قطر ستون
فاکتور اصلی در دستیابی به قطر ستون، دبی فاز بخار (یا گاز) می باشد. همانطور که در بررسی پارامترهای نامطلوب و دستیابی به منطقه عملیاتی مطمئن اشاره شد، شرایط طغیان حد بالای سرعت بخار را نشان می دهد. اگر بتوانیم سرعت بخار را که در آن سرعت بخار در حد طغیان استفاده کنیم. هر چقدر دبی بخار بالا باشد راندمان سینی افزایش خواهد یافت. لیکن سرعت واقعی بخار را در حد 70 الی 90 درصد سرعت طغیان توصیه نموده اند . برای سیستم های کف زا مقادیر پایینی حد و برای سیستم هایی که کف زا نباشند مقادیر بالایی حد قابل استفاده خواهد بود. رابطه زیر برای دستیابی به سرعت طغیان ارائه شده است.
رابطه Fair
سرعت طغیان بر اساس سطح خالص در دسترس (سطح مقطع ستون بدون سطح ناودانی) = U f
مقدار ثابت = K 1
در شکل 8-12 مقدار فاکتور جریان FLV عبارتست از :
دبی جرمی مایع =
دبی جرمی بخار =
Mm 5/6 > dh = قطر سوراخ
فاصله دو سینی × 15/0 = ارتفاع سد
سیستم کف زا نمی باشد
سطح سوراخها
سطح فعال
1/0<
در صورتیکه نباشد ضریب K1 به صورت زیر تصحیح می شود
سطح سوراخها
سطح فعال
1/0 <
ضریب K1
سطح سوراخها
سطح فعال
1 1/0
9/0 08/0
8/0 06/0
در دستیابی به سطوح مختلف روی سینی ها، به عنوان اولین حدس فرض می کنیم که 1/0 = باشد.
سطح سوراخها
سطح فعال
این شکل، کشش سطحی مایع N/m 02/0 انتخاب شده است. در سایر موارد، ضریب K1 با γ توجه به مقدار (کشش سطحی مایع) به صورت زیر تصحیح می شود :
= جدید K1
انتخاب الگوی جریان
با توجه به مطالبی که در بخش الگوی جریان مایع روی سینی ها ارائه شد، از شکل استفاده می شود. همانطور که ملاحظه می شود با توجه به دبی جریان مایع و قطر ستون الگوی جریان انتخاب خواهد شد.
سطوح مختلف تعریف شده روی سینی
یک سینی مشبک با الگوی جریان Single Pass که دارای یک ناودانی است در نظر بگیرید . سطوح مختلف برای این سینی، به شرح زیر تعریف می شوند.
سطح مقطع ستون = Ac
سطح مقطع ناودانی = Ad
سطح مقطع خالص = An = Ad = Ac
سطح فعال (سطحی که محل تماس دو فاز مایع و بخار است) = Aa = Ad2 – Ac
سطح سوراخ شده (سطحی از سینی که سوراخهایی در آن تعبیه شده است) = Ap
سطح کل سوراخ ها = Ah
همانطور که اشاره شد اگر بر اساس پارامتر طغیان، سطح مقطع خالص ستون بدست آید (An) آنگاه فرض می کنیم که Ac88/0 = An لذا :
مرحله7 – بررسی پدیده چکه کردن مایع از سوراخ ها (Weeping)
دبی فاز بخار
اگر قطر سوراخ ها درست انتخاب نشود و بزرگتر از حد لازم باشد، چکه کردن مایعات بیشتر صورت می گیرد. سرعت بخار از درون سوراخ ها باید در حدی باشد که از حداقل سرعت بخار توصیه شده از سوراخ ها کمتر نباشد. اگر سرعت بخار از حداقل سرعت بخار توصیه شده کمتر باشد، پدیده چکه کردن مایع بیشتر از حد مجاز اتفاق می افتد و راندمان سینی کاهش می یابد، لذا :
دبی فاز بخار
Ah
سرعت واقعی بخار از درون سوراخ ها =
حداقل سرعت بخار از درون سوراخ ها (بمنظور جلوگیری از چکه زیاد)=
سرعت واقعی بخار نباید از حداقل سرعت بخار کمتر باشد. K2 مقدار ثابتی است که از شکل 8-17 قابل دستیابی است. در این شکل hw ارتفاع سد و how ارتفاع مایع بالای سد (که در حال ریزش از روی سد است) می باشد که از رابطه فرانسیس قابل دستیابی است.
دبی جرمی مایع ؛
طول سد ؛
ارتفاع مایع بالای سد ؛
دیواره ستون که در نزدیکی سد قرار دارد، خود ممکن است باعث شود تا ارتفاع مایع روی سد اندکی از مقدار محاسبه شده از رابطه فرانسیس بیشتر شود. این مورد در مقدار ثابت رابطه فوق منظور شده است.
برای اطمینان از وجود جریان مایع روی سینی باید مقدار how حداقل 10 سانتیمتر باشد. گاهی ممکن است از سدهای کنگره دار بخاطر دبی مایع کم استفاده شود. با توجه به مطالب فوق الذکر در صورتیکه سرعت بخار از حداقل سرعت بخار کمتر باشد، باید به مرحله 6 برگردیم و در اینصورت می توانیم روی پارامترهای موثری نظیر dh (با کم کردن قطر سوراخ) و hw (با کم کردن ارتفاع سد) به حد مجاز چکه کردن برسیم.
مرحله8- بررسی افت فشار بخار
افت فشار بخار یکی از پارامترهای مهم در طراحی هیدرولیکی سینی ها است که باید مورد بررسی قرار گیرد. در یک سینی مشبک ، افت فشار بخار می تواند ناشی از موارد زیر باشد :
افت فشار بخار ناشی از عبور بخار از سوراخ ها (افت فشار خشک، hd)
افت فشار بخار ناشی از عبور بخار از مایع روی سینی (افت فشار تر، hw+how+∆/2)افت فشار بخار ناشی از عبور بخار از کف های روی مایع و موارد پیش بینی نشده (تفاوت تجربه و تئوری) ، hr
بنابراین :
حال افت فشار کل :
دانسیته مایع روی سینی
افت فشار کل
روابط تجربی زیر برای محاسبه hd و hr ارائه شده است.
مرحله9- ارتفاع مایع و زمان توقف مایع درون ناودانی
ارتفاع مایع درون ناودانی بستگی به افت فشار بخار ایجاد شده در دو طرف سینی دارد. اگر دو طرف ناودانی همچون لوله U شکل در نظر گرفته شود، برای یک سینی مشبک :
hdc= افت فشار ناشی از حرکت مایع درون ناودانی که از رابطه زیر قابل دستیابی است :
تصمیم گیری در مورد جزئیات سینی
در تمامی موارد فوق شاید بارها لازم باشد به مرحله6 (مرحله انتخاب سطوح مختلف سینی، ارتفاع سد و …) برگردبم. لذا نهایتاً پس از عبور از مرحله9 جزئیات سینی مشخص شده و در مرحله10 تصمیم گیری نهایی در مورد جزئیات سینی صورت خواههد گرفت و اگر لازم باشد تغییراتی نیز اعمال خواهد شد و شکل سینی رسم می شود.
محاسبه درصد طغیان و مقایسه با مقدار در نظر گرفته شده
(سرعت واقعی بخار براساس سطح خالص) Un
حال با توجه به آنکه در مورد جزئیات سینی تصمیم گیری شده است و تغییرات احتمالی لازم نیز داده شده، درصد طغیان واقعی به شرح زیر محاسبه میشود.
(سرعت واقعی بخار براساس سطح خالص) Un
(سرعت طغیان محاسبه شده از رابطه Fair) Uf
درصد طغیان =
محاسبه مقدار Entrainment
با توجه به درصد طغیان واقعی که در مرحله قبل بدست آمده است مقدارEntrainmen
از شکل قابل پیش بینی است.
مایع کشیده شده به سمت بالا (توسط بخار)
کل مایع روی سینی
Ψ =
در صورتیکه مقدارΨ از1/0 بیشتر باشد، اثر آن روی راندمان قابل ملاحظه است که باید در طراحی مدنظر قرار گیرد. اثر Ψ برروی راندمان از رابطه Colburn قابل پیش بینی است.
مراحل 13 و 14
حال می توانیم کلیه مراحل محاسبات (مرحله 3 الی 12) را با تغییر در فاصله بین سینی ها تکرار نماییم و نهایتاً فاصله سینی و قطر سینی کمتر را بدست آوریم. در مرحله نهایی (مرحله14) جزئیات محاسبات انجام شده برای سینی خاص را می توان با شکل نشان داد.
محاسبات سرانگشتی قطر ستون
رابطه تجربی زیر برای دستیابی به ماکزیمم سرعت پیستونی فاز بخار ارائه شده است. در این رابطه فقط فاصله بین دو سینی و دانسیته بخار و مایع مورد نیاز می باشد.
Souders & Brown , Lowenstein
دبی جرمی بخار
واضح است قطر ستون بدست آمده در مقایسه با قطر ستون محاسبه شده براساس طغیان، تقریبی است. همچنین اشاره شده است که طراحی قابل قبول ستون با الگوی جریان از نوع Single Pass می تواند حداکثر m2/s 015/0 مایع را به ازاء 1 متر قطر ستون تحمل نماید.
در طراحی ستون با شرایط عملیاتی مشخص و دبی های مشخص شاید بتوان قطر ستون مورد نیاز را با افزایش فاصله سینی ها کاهش داد. لذا قیمت کل ستون که بستگی به ارتفاع دارد، پس از عبور از یک مینیمم (که فاصله اپتیمم سینی هاست) افزایش می یابد.
مثال3- در یک ستون تقطیر، در بالای ستون دما oC 57 و فشار اتمسفر در پایین ستون دما oC106 و فاشر 213/1 اتمسفر گزارش شده است. تعداد سینی های این ستون 22 عدد می باشد. دبی مایع و بخار و خصوصیات فیزیکی در بالا و پایین ستون در شرایط عملیاتی فوق الذکر به شرح زیر می باشد. مطلوبست طراحی یک سینی از بالا یا پایین.
پکینگ ها
برای ایجاد سطح تماس بیشتر بین دو فاز گاز – مایع از مواد پرکننده یا پکینگ ها استفاده می شود. نمونه های زیادی از پکینگ ها ساخته شده اند که تعدادی از نمونه های منظم و نامنظم در شکل نشان داده شده اند . شکل ظاهری پکینگ ها استوانه ای، کروی و یا زینی شکل هستند. نمونه های Rasching از قدیمیترین و ارزان ترین پکینگ ها بوده و بیشتر مورد استفاده قرار گرفته اند. این نمونه پکینگ ها از قطر 100 – 6 میلیمتر و بیشتر ساخته شده اند. انواع Saddles و Intalox در اندازه های 75 – 6 میلیمتر ساخته شده اند. نوع پال رینگ در واقع نوعی راشینگ است، اما توزیع مایع بهتر صورت می گیرد. Berl Saddles توزیع بهتری نسبت به راشینگ ایجاد می نماید. Intalox Saddles را می توان نوع توسعه یافته تلقی نمود. نمونه های توسعه یافته پال رینگ و اینتالکس سدلز در شکل نشان داده شده اند.
نوع Rasching در مقایسه با Pall ring و Saddles ارزانتر (به ازا/ئ واحد حجم)، لیکن راندمان کمتری دارد. پکینگ های کوچکتر از پکینگ های بزرگتر گران تر هستند. برای ستونهای با قطر بزرگتر پکینگ های بزرگتر استفاده می شود و برعکس. استفاده از پکینگ های بزرگتر از 50 میلیمتر به لحاظ راندمان کمتر انتقال جرم ، کمتر توصیه میشود. برای ستونهای جدید (با طراحی جدید) معمولاً از نوع Pall ring و Intalox یا Berl Saddles استفاده می شود.
جنس پکینگ ها
پکینگ ها از اجناس مختلف، سفالی، سرامیکی، فلزی، پلاستیکی (پلی پروپیلن)، شیشه ای، چینی و … ساخته شده اند. انتخاب جنس بستگی به شرایط عملیاتی دما، دبی سیالات و طبیعت سیال گاز – مایع از نظر خورندگی دارد. نوع سرامیکی، سفالی و چینی برای سیالات خورنده بسیار مناسب است. لیکن برای محلولهای قلیایی قوی مناسب نیستند. نوع پلاستیکی برای بعضی از حلالهای آلی مناسب نمی باشد و معمولاً تا دمای متوسط قابل استفاده است و در دماهای بالا تغییر شکل می دهند، لذا احتمالاً برای تقطیر مناسب نخواهد بود. پکینگ های با ضخامت کم به علت ایجاد وزن کم مناسب هستند لیکن ممکن است در شرایط عملیاتی دبی های بالا مقاومت کافی نداشته، تغییر شکل داده و اگر شکننده باشند احتمال شکستن آنها وجود دارد . امکان شکستن پکینگ های سرامیکی در شرایط عملیاتی دبی بالا وجود دارد.
پارامترهای مهم در انتخاب پکینگ مناسب
به طور کلی در انتخاب پکینگ مناسب باید نکات زیر مدنظر باشد:
سطح تماس زیادی ایجاد نماید (سطح تماس بین دو فاز گاز – مایع بیشتر می شود) . بنابراین هرچقدر پکینگ کوچکتر باشد بهتر است، چون سطح تماس بیشتر می شود، لیکن محدودیت قیمت و افت فشار گاز باید مدنظر باشد.
ساختمان نسبتاً بازی داشته باشد تا حداقل افت فشار گاز را ایجاد نماید.
شکل ظاهری پکینگ طوری باشد که خود به توزیع مایع نیز کمک کند و توزیع یکنواختی برای گاز نیز ایجاد نماید.
در مقابل سیال مورد استفاده در ستون بی اثر باشد.
به اندازه کافی مستحکم باشد تا حمل و نقل و جایگزینی آن در ستون به راحتی صورت گیرد.
قیمت کمی داشته باشد.
مراحل طراحی یک ستون پر شده
با توجه به مطالب راائه شده، مراحل طراحی یک ستون پر شده به شرح زیر می باشد :
1- انتخاب نوع و اندازه پکینگ
2- دستیابی به قطر ستون با توجه به دبی مشخصی از فازها (گاز و مایع)
3- دستیابی به ارتفاع ستون برای جداسازی خاص
4- بررسی و انتخاب تجهیزات داخلی (متوقف کننده توزیع کننده مایع، توزیع کننده مجدد و نگهدارنده).
انتخاب نوع پکینگ با توجه به پارامترهای مهم در انتخاب پکینگ و اندازه پکینگ با توجه به اندازه احتمالی قطر ستون قابل پیش بینی است. در صورت عدم پیش بینی صحیح با سایر مسائل (بالا بودن افت فشار، کم بودن سرعت خیس شدن) می توان به روش حدس و خطا اندازه پکینگ مناسب را یافت. تجهیزات درونی ستون با توجه به توضیحات ارائه شده در بخشهای قبلی قابل دستیابی است. حال به نحوه دستیابی به قطر و ارتفاع ستون به عنوان یک ستون دیفرانسیلی (یا با فرض مرحله ای) می پردازیم.
دستیابی به قطر ستون
برای پکینگ های نامنظم ، افت فشار گاز به ازاء هر متر پکینگ معمولاً از N//m2 800 تجاوز نمی کند. این مقدار افت فشار گاز در حدود 80 درصد سرعت طغیان است. توصیه های تجربی زیر برای افت فشار گاز در ستونهای جذب، دفع و تقطیر ارائه شده است. مقادیر دقیق تر باید براساس توصیه های تجربی تولیدکنندگان پکینگ ها بدست آید.
در ستون جذب و دفع :
افت فشار به ازاء یک متر پکینگ N//m2 ( 400 – 200)
در ستون تقطیر در فشار اتمسفر :
افت فشار به ازاء یک متر پکینگ N//m2 ( 600 – 400)
در ستون تقطیر در فشار خلا :
افت فشار به ازاء یک متر پکینگ N//m2 (40 – 8)
در صورتیکه سیستم شیمیایی کف زا باشد، مقادیر توصیه شده فوق باید نصف شود. اگر فشار پایین ستون کم باشد، در این صورت باید از پکینگ هایی استفاده نمود که افت فشار کمتری ایجاد نماید.
برای دستیابی به قطر ستون از منحنی های تجربی افت فشار در بستر دو فازی استفاده نماییم. با توجه به تصویر فوق الذکر مقدار محور xها قابل دستیابی است.
فاکتور جریان =
فاکتور جرمی مایع و گاز
نسبت فلاکس ها با توجه به نسبت دبی ها قابل دستیابی است.
دبی جرمی مایع و گاز
سطح مقطع ستون Ac
مقدار افت فشار به ازاء یک متر پکینگ به صورت تجربی توصیه شده است. لذا با توجه به افت فشار توصیه شده و مقدار محور xها و با استفاده از شکل ؟؟؟ مقدار محور yها قابل دستیابی است.
معلوم =
J مقدار ثابتی است که در سیستم واحدی SI برابر یک می باشد.
در رابطه فوق نوع پکینگ مشخص (Cf معلوم)، لذا Ġ (فلاکس جرمی) محاسبه شده و آنگاه سطح مقطع و قطر ستون قابل دستیابی است.
با توجه به آنکه دبی فازها و خصوصیات فیزیکی در طول ستون و بخصوص در مقاطع مختلف ستون (در دو طرف نقطه ورودی خوراک یا محصول جانبی در برجهای تقطیر) تغییر می نماید، لذا باید قطر ستون را در مقاطع مختلف بدست آورده و با توجه به احتمال تغییر قطر ستون، پیش بینی های لازم در خصوص ساخت ستونی با دو قطر و یا تغییرات لازم در طراحی داخلی ستون صورت گیرد.
اگر طراحی ستون جذب در نظر باشد، معمولاً قطر ستون براساس دبی های پایین ستون (ماکزیمم دبی ها در پایین ستون خواهد بود) و اگر طراحی ستون دفع در نظر باشد، معمولاً قطر ستون براساس دبی های بالای ستون (ماکزیمم دبی ها در بالای ستون خواهد بود) محاسبه میشود. هر چند بهتر است محاسبه قطر در بالا و پایین ستون در هر یک از شرایط جذب و دفع و مقایسه آنها با یکدیگر نیر مدنظر باشد.
دستیابی به ارتفاع ستون
ستون پر شده یک ستون دیفرانسیلی است. دستیابی به ارتفاع ستون های دیفرانسیلی در فصل 9 (جذب) توضیح داده شده است. با توجه به مطالب فصل9 برای دستیابی به ارتفاع ستون دیفرانسیلی به ضرایب انتقال جرم و منحنی تعادلی نیاز داریم.
یکی از راههای بسیار ساده برای دستیابی به ارتفاع ستون دیفرانسیلی پر شده آن است که اگر چه می دانیم ستون پر شده دیفرانسیلی است، آنرا همچون ستونهای مرحله ای در نظر گرفته و با توجه به مطالب فصل7, تعداد مراحل واحد عملیاتی موازی و غیر همسو را بدست می آوریم. اگر ارتفاع معادل یک مرحله ایده آه (HETP) به صورت تجربی موجود باشد، آنگاه ارتفاع فعال ستون قابل دستیابی است. منظور از ارتفاع معادل یک مرحله ایده آل، ارفتعای از ستون پر شده است که مانند یک مرحله ایده آل عمل می نماید. بنابراین:
تعداد مراحل × HETP = ارتفاع فعال ستون
Eckert نشان داده است که در تقطیر HETP برای نوع و اندازه خاصی از پکینگ، ثابت و مستقل از خصوصیات فیزیکی سیستم شیمیایی است، به شرط آنکه توزیع مایع بخوبی صورت گیرد و حداقل افت فشار گاز توصیه شده برای هر پکینگ خاص ایجاد شود. اگر حداقل افت فشار گاز برای پکینگ Pall ring ، mmH2O 17 به ازاء یک متر پکینگ باشد، آنگاه :
اگر حداقل افت فشار ایجاد شده mmH2O 29 باشد، مقادیر HETP توصیه شده فوق برای پکینگ های Saddles تقریباً قابل قبول است. در صورت استفاده از پکینگ Rasching، اگر افت فشار در حدود mmH2O 42 به ازاء یک متر پکینگ باشد، مقادیر فوق قابل استفاده خواهد بود.
مقایسه ستونهای سینی دار و پر شده
اگر چه بررسی اقتصادی در انتخاب ستون پر شده یا سینی دار نقش تعیین کننده دارد، لیکن توجه به موارد زیر نیز می تواند در انتخاب نوع واحد بسیار موثر باشد.
ستونهای پر شده برای دبی مایع خیلی کم مناسب نمی باشند (عدم خیس شدن کامل پکینگ ها).
ستونهای سینی دار دامنه وسیعی از دبی گاز و مایع را در مقایسه با ستون پر شده دربر می گیرد.
ستونهای سینی دار با اطمینان بیشتری نسبت به ستونهای پر شده قابل طراحی هستند. اطمینان از پیش بینی راندمان سینی ها در مقایسه با پیش بینی HETP یا HTU (فصل9) در ستونهای پر شده بیشتر است. همواره شک و تردید در اینکه توزیع مایع در ستون پر شده بخوبی صورت گرفته است یا خیر، بخصوص در ستونهای بزرگ وجود دارد.
تعبیه کویلهای حرارتی در ستونهای سینی دار به مراتب از ستونهای پر شده راحت تر است.
ایجاد جریانهای جانبی در ستونهای سینی دار به مراتب از ستونهای پر شده راحت تر است.
اگر مایع سیستم شیمیایی حاوی ذرات آلوده کننده باشد و نیاز به تمیز کردن ستون باشد، تمیز کردن ستونهای سینی دار با قطر بزرگ و تعبیه دریچه هایی برای عبور فد از یک سینی به سینی دیگر به راحتی صورت می گیرد. در ستونهای با قطر کم، گاهی جابجایی مواد پر کننده (خالی کردن و پر کردن مجدد پس از شستشوی پکینگ ها) از سینی ها راحت تر و مطمئن تر است. هر چند هر دو نوع ستون برای فاز مایع حاوی ذرات جامد مناسب نمی باشند.
اگر مایع نقش حلال داشته باشد و اشتعال زا و سمی باشد، با توجه به هلدآپ مایع کم در ستونهای پر شده و مسئله نگهداری اینگونه حلالها، استفاده از ستون پر شده مناسب تر خواهد بود.
اگر مایع خورنده باشد معمولاً ستونهای پر شده در مقایسه با ستونهای سینی دار ارزان تر خواهند بود (مسئله تعمیر و نگهداری) . ستونهای پر شده برای سیستم های کف زا مناسب ترند.
افت فشار گاز در ستونهای پر شده به ازاء ارتفاع معادل یک مرحله، در مقایسه با افت فشار در یک سینی در یک ستون سینی دار کمتر است. این مطلب در ستونهای تحت فشار کم (یا خلا) که افت فشار پارامتر مهمی است، بسیار پر اهمیت بوده و لذا در چنین شرایطی ستون پر شده مناسب تر است.
معمولاً برای ساخت ستونهای با قطر کم (کمتر از 6/0 متر) از ستونهای پر شده استفاده میشود. زیرا ساخت سینی ها در چنین شرایطی نسبتاً مشکل و گران خواهد بود.
در صورتی که نوسانات دما با تغییرات دما خیلی زیاد باشد، پکینگ های سرامیکی توصیه نمی شود، در چنین شرایطی ستون سینی دار یا پکینگ فلزی توصیه می شود.
ستون پر شده با پکینگ پلاستیکی معمولاً وزن کمتری نسبت به ستون سینی دار (با وظیفه مشابه) داشته، در حالیکه ستون سینی دار وزن کمتری نسبت به ستون پر شده با پکینگ سرامیکی و فلزی (با وظیفه مشابه).
مراحل طراحی دقیق یک ستون پر شده گاز – مایع :
با توجه به :
شرایط عملیاتی
نوع سیستم شیمیایی
در دسترس بودن
انتخاب پکینگ
جنس
اندازه
شکل
CD
G
Cr
ap
دبی جرم گاز جذب حداقل دبی مایع دبی مایع
دبی جرمی دفع حداقل دبی گاز دبی گاز
افت فشار توصیه شده
خصوصیات فیزیکی سیستم شیمیایی
سطح مقطع ستون
(محاسبه شده)
تغییر پکینگ در صورت
سطح مقطع واقعی
افت فشار واقعی – درصد طغیان (واقعی
هلداپ طغیان
سرعت Slip
سرعت مشخصه
هلداپ واقعی
سطح ویژه
ضرایب انتقال جرم
محاسبه
ارتفاع
واحد
انتقال
ارتفاع Plug
تعداد واحدهای انتقال
ارتفاع واقعی
توزیع کننده – توزیع کننده
مجدد – نگهدارنده
متوقف کننده
تجهیزات داخلی
پایان
اختلاط محوری
با تشکر از توجه شما