چکیده:
در دستگاههای برج آکنده، مایع و گاز با هم در تماس مداوم هستند. برای ایجاد سطح تماس بیشتر، داخل برج را از پرکنها پر می کنند، مایع نیز از بالای برج وارد می شود و در اثر عبور از روی پرکنها سبب ایجاد سطح تماس زیری بین دو فاز می شود. ساختار پرکنها باید طوری باشد که نسبت سطح خارجی آن به حجمی که اشغال می کند بزرگ باشد تا در کمترین حجم، بیشترین سطح تماس را ایجاد کند.دستگاه مورد استفاده در اینجا از نوع تصفیه ناپیوسته است. چهار هیتر به مخزن برج متصل هستند که در پایین آن قرار گرفته اند و آن را گرم می کنند. ارتفاع پرکنها ft6 و قطر داخلی برج in 3 می باشد. بخار پس از عبور از داخل برج به کندانسور می رسد و پس از مایع شدن ، به حالت total reflux به برج وارد می شود. به این ترتیب ، مایعی که از بالا وارد می شود با بخاری که به سمت بالا در حرکت است تماس پیدا می کند. مایع برگشتی از یک splitter box که برای تقسیم مایع برگشتی به برج به کار می رود ، می گذرد. در این دستگاه مخلوط آب و الکل وجود دارد، که در انتها غلظت الکل در بالای برج 79% و در پایین برج به 40% می رسد. نمونه برداری زمانی انجام می شود که دستگاه به حالت steady state رسیده باشد. زمان پر شدن بشر در بالای برج 7 ثانیه و در پایین برج 13 ثانیه خواهد بود.
تئوری :
در جذب گاز، یک بخار انحلال پذیر به کمک مایعی که گاز حل شونده در آن کم و بیش انحلال پذیر است، از مخلوط آن با یک گاز بی اثر جدا می شود. که به عنوان مثال می توان شستشوی آمونیاک را از مخلوط آمونیاک- هوا مثال زد. ماده حل شده را به روش تقطیر از مایع بازیابی می کنند و مایع جذب شده را می توان دور ریخت یا مجدداً استفاده کرد و متعاقباً گاهی این ماده حل شده را ضمن تماس مایع با گاز بی اثر از مایع جدا کرد که چنین عملیاتی را معکوس جذب یا واجذبی می نامند، اما به طور کلی این فرآیند بیشتر جهت بازیابی و یا جداسازی حل شونده ها استفاده می شود، اما تفکیک حل شونده ها از یکدیگر توسط فرآیند تقطیر صورت می گیرد. حال به سراغ دستگاه متداولی که بیشتر در جذب گاز و برخی عملیات دیگر کاربرد فراوان دارد می رویم.
برج آکنده که نمونه آن در شکل نمایان است مشتمل به یک ستون استوانه ای یا برج است که خود این بخش در برگیرنده: ورودی گاز و فضای توزیع در پائین، ورودی مایع و توزیع کننده در بالا، خروجی گاز و مایع به ترتیب در بالا و پائین، و توده ای از مواد جامد بی اثر موسوم به آکنه که وزن آنها را یک صفحه تحمل می کند، می باشد.
این برج ها معمولاً با یک جریان ناهمسوی سیال عمل می کنند. در موردی که فاز های مایع و بخار موجود باشند، مایع درون ستون به صورت لایه نازکی بر روی پر کن ها( Packing ) پخش می شود و به پائین می آید و بخارات از درون فضای بین پرکنها صعود می کنند. بدین طریق سطح برخورد وسیعی برای مایع و بخار فراهم می شود و عملیات انتقال جرم به طور موثر صورت می گیرد.
انواع پرکنها :
تعداد انواع گونه های پرکنها بیشتر به منظور دستیابی به برخورد موثر بین دو فاز سیالات وجود دارند، این گونه ها معمولاً به دو نوع کلی منظم ( Stacked packing ) و غیر منظم ( Random packing ) طبقه بندی می شوند. منظم بودن یا غیر منظم بودن آنها تنها به داشتن شکل و ساختار هندسی آنها بستگی ندارد، آکنه های غیر منظم در عملیات صنعتی کاربرد فراوان دارند.
موادی که به طور تصادفی و بی قاعده درون برج ریخته می شوند،آنهایی که باید به صورت دستی چیده شودوآنهایی که ساختار یا ترتیب منظمی دارند. بعد اصلی آکنه های ریخته شده ( به صورت غیر منظم ) 6 تا 75 میلی متر ( 4/1 تا 8/3 اینچ ) است و از آکنه های کوچکتر عمدتاً در ستونهای آزمایشگاهی یا نیمه صنعتی استفاده می شود.
آکنه های نامنظم از مواد بی اثر ارزان مانند سفال، چینی یا انواع پلاستیکها ساخته می شوند. و گاه از حلقه های فلزی فولادی یا آلومینیومی با دیواره نازک استفاده می شود. با منظم یا تو خالی ساختن واحدهای آکنه می توان، فضای خالی برای عبور گسترده ی سیالات را فراهم کرد. این آکنه ها پس از درگیر شدن با یکدیگر ساختارهای بازی با تخلخل یا کسر خالی 60 تا 90 درصد را ایجاد می کنند.
آکنه های منظم اولیه از توری های سیمی ساخته می شدند، اما بعدها انواع سوراخ دار موج دار ساخته شدند و صفحات مجاور طوری مرتب شده بودند که مایع به راحتی روی سطح آن پخش می شد، در حالی که بخار از میان مجراهای تشکیل شده توسط موج ها عبور می کرد. زاویه ی مجراها با افق 45 درجه است، جهت این زاویه در صفحات متوالی به صورت یک در میان تغییر می کند. ضخامت هر لایه به چند اینچ می رسد. آکنه های اختصاصی گوناگون از نظر اندازه و آرایش موج ها و کار انجام شده بر روی سطح تفاوت دارند.
برای طراحی یک برج پرشده باید به عوامل مکانیکی نظیر افت فشار، ظرفیت جریان و بار گذاری توجه فراوان نمود، با این مختصر مقدمه ویژگیهای یک پرکن مناسب را بیان می کنیم.
1- ظرفیت بالا: پرکنها باید امکان شدت جریان زیاد بدون ایجاد افت فشار و تجمع مایع در برج را برای سیال فراهم کنند. به علت وجود پدیده ی طغیان با حمل مایع به خارج از برج که توسط بخار می تواند در سرعت های بالاتر از سرعت مجاز سیال صورت پذیرد در ظرفیت های بالا وجود سطح آزاد وسیع ضروری است.
2- افت فشار کم: به دلیل اینکه افت فشار درون پرکنها تابع مستقیمی از سرعت سیالات است، باید فضای خالی مناسب بین پرکنها ایجاد شود تا فشار را در جهت حداقل افت عبور دهد.
3- وزن و ماندگاری کم مایع: میزان بارگذاری و وزن ستون استوانه ای، در صورتیکه وزن پرکنها و مایع مانده در برج کم باشد، کم خواهد بود. البته ماندگاری مایع باید مقداری باشد که نیروی محرکه موثری برای انتقال جرم فراهم شود.
4- بزرگ بودن سطح فعال به ازای واحد حجم: به منظور افزایش کارایی، پرکنها باید سطح برخورد وسیعی را بین دو فاز سیال فراهم کنند. این امر با استفاده از پرکنهایی با شکل های نا منظم، که توزیع گسترده مایع را روی سطحی که در تماس مستقیم با سیال دوم است انجام می دهند،تحقق می یابد.
5- حجم آزاد و وسیع به ازای واحد حجم کل: این ویژگی زمانی اهمیت می یابد که برای انجام واکنش های شیمیایی در فاز گاز، به مدت زمان خاصی نیاز باشد، مانند اکسیداسیون اسید نیتریک توسط جذب دی اکسید نیتروژن در یک محلول آبی.
6- سایر عوامل: هزینه پائین، مقاومت بالا در برابر سائیدگی، خوردگی و عمر طولانی و سازگار بودن پرکنها با سطح داخلی برج.
- بررسی افت فشار:
عوامل اولیه که بر روی افت فشار در برج های پرشده موثر است:
1- شدت جریان سیالات.
2- دانسیته و ویسکوزیته سیالات.
3- اندازه، شکل، جهت گیری و سطح ذرات پرکن.
تغییرات دما و نرخ جذب:
وقتی که گاز غنی وارد یک برج جذب می شود، دمای برج به مقدار قابل توجهی از پائین به بالا تغییر می کند. گرمای جذب ماده ی حل شده دمای محلول را افزایش می دهد، ولی تبخیر حلال سبب کاهش دما می شود. معمولاً اثر کلی این دو عامل افزایش دمای مایع است، اما گاه دما در نزدیکی پائین برج از مقدار بیشینه ای می گذرد. شکل نیمرخ دما به سرعت جذب ماده ی حل شده، تبخیر یا چگالش حلال، و انتقال گرمای بین فازها بستگی دارد. برای به دست آوردن نیمرخ دقیق دمای مایع و گاز محاسبات طولانی مورد نیاز است. وقتی که دمای گاز ورودی به دمای خروجی مایع نزدیک باشد و گاز ورودی سیر شده باشد، تبخیر حلال تاثیر کمی دارد و افزایش دمای مایع تقریباً متناسب با مقدار ماده ی حل شده جذب شده است.
برج های آکنده استوانه های عمودی هستند که از دانه ها و قطعاتی به نام آکنه که دارای سطح نسبتاً زیادی است پر می شوند. این برج ها جهت ایجاد تماس پیوسته بین جریان متقابل گاز و مایع استفاده می شوند. در این دستگاه، فاز مایع از بالا وارد برج شده و با چکیدن به روی آکنه ها، سطح تماس زیادتری جهت برخورد با گاز حاصل می نمایند.
در یک تماس دهنده دیفرانسیلی مانند یک ستون آکنده، عملیات تماس می تواند همان طوری که به صورت دائمی و پیوسته در سرتاسر واحد اتفاق می افتد در نظر گرفته شود.
بنابراین آنالیز یک تماس دهنده دیفرانسیلی مرحله ای می تواند براساس جزء دیفرانسیلی طولی یا ارتفاعی انجام شود.
در ستونهای پرشده، ارتفاعی از ستون که بتواند جداسازی هم ارز با یک صفحه تئوری را ایجاد کند، یک طبقه تئوری ( نظری ) یا HETP نامیده می شود.
روش دقیقتر مقایسه عملیات گوناگون تماس پیوسته بین فازها مستلزم بررسی یک سری از تماس دهنده های دیفرانسیلی مجزا و به دست آوردن نتایجی است که بتواند بر حسب ضرایب انتقال جرم، یا تعداد واحدهای انتقال بیان شود. هر واحد انتقال همانند یک مرحله تئوری است، با این تفاوت که تغییرات دیفرانسیلی در آن به شرایط تعادل و غلظت بستگی دارد.
ضمناً هر طبقه تئوری مربوط به یک سری از تغییرات تعیین و محدود نیز می باشد.
مهمترین ویژگی های آکنه ها عبارتند از:
1- داشتن سطح ویژه بزرگ، بدون در نظر گرفتن سطح مربوط به خلل و فرج میکروسکوپی، سطح ویژه آکنه برابر مجموع سطوح آکنه ها به ازای واحد حجم قسمت آکنه یا پر شده برج است. لازم به ذکر است که اجسام متخلخل به خاطر خلل و فرج خود دارای سطح ویژه زیادی بوده و برای استفاده به عنوان آکنه مناسب نیستند.
2- داشتن خصوصیات لازم جهت جریان یافتن سیالات، این امر موجب می شود که حرکت سیال در داخل برج آسانتر انجام گرفته و افت فشار حاصله، ناشی از برخورد با آنها کمتر باشد تا بتوان از حالت طغیان و انباشتگی مایع در دل برج جلوگیری نمود.
3- بی اثر بودن از لحاظ شیمیایی در مقابل سیالاتی که با آنها در تماس خواهند بود.
4- داشتن استحکام کافی تا به هنگام نقل و انتقال و جابجایی مشکلی پیش نیاید.
5- ارزان بودن قیمت.
بخش تجربی
مواد شیمیایی : الکل ، آب .
شرح دستگاه :
این دستگاه دارای یک دیگ است که این دیگ محفظه ی اصلی جهت جوش آمدن محلول آب و الکل می باشد. حجم تقریبی این محفظهlit 75 است و از جنس فولاد آلیاژی و مقاوم شده با رنگ کوره ای می بهشد که توسط پشم سنگ و پشو شیشه عایق شده است.
روش کار :
در این دستگاه الکل 10% وجود دارد.در ابتدا دستگاه را روشن می کنیم و نقطه set point را روی 60 قرار می دهیم. سپس توسط 6 ترمومتر دماهای نقاط مختلف دستگاه را در هر 20 دقیقه می خوانیم. زمانی که غلظت در تمام برج یکسان شود این دماها یکسان می شوند و دستگاه به حالت steady state می رسد ،در این زمان از پایین و بالای برج نمونه گیری می کنیم. این نمونه گیری به این صورت است که توسط مزورcc 250 از پایین و بالای برج الکل بر می داریم و سپس توسط الکل سنج غلظت الکل را به دست می آوریم.غلظت الکل در بالای برج 97% ، و در پایین برج 40% است. در انتها نیز توسط یک بشرcc 500 و کرنومتر، زمان پر شدن را به دست می آوریم، این زمان در بالای برج 7 ثانیه و در پایین برج 13 ثانیه می باشد.
بخارات خروجی از ریبویلر T1 =
بخارات برگشتی (بالای برج) = T2
بخارات ورودی به کندانسور = T3
دمای آب سرد ورودی = T4
دمای مایع خروجی از کندانسورT5 =
آب سرد خروجی از کندانسورT6 =
20 دقیقه اول:
T1=78 , T2=31.9 , T3=68.7 , T4=14.7 , T5=22.9 , T6=16.5
20 دقیقه دوم:
T1=78.1 , T2=32.5 , T3=67.5 , T4=15.3 , T5=23.7 , T6=17.1
20 دقیقه سوم:
T1=78.2 , T2=32 , T3=67.3 , T4=15.7 , T5=24 , T6=17.4
محاسبات :
HETP = K1.(G) K2.(d) K3.(h) 1/3.(α.μ/ρ)
(α.μ/ρ) = 1.66 ×2×10-5/1.3=2.55(s/ft)×(hr/3600s)=7.08×10-4 (hr/ft)
h = 6 (ft) d = 3in×(1ft/12in)=0.25 (ft)
Q = V/T = (250cm3/7s)×(3600s/hr)×(gr/cm3)×(lb/454gr) = 283.1 (lb/h)
CH3CH2OH = 46.07gr×(1lb/454gr)=0.102 (lb) :اتانول
H2O = 18gr×(1lb/454gr)=0.039 (lb) : آب
(0.4×0.039)+(0.97×0.102) = 0.115 (lb/lbm) :جرم مولکولی
شدت جریان جرمی گاز=(جرم مولکولي Q/)
283.19(lb/hr)/0.115 (lb/lbm) = 2462.52 (lbm/hr)
A = πd2/4 = π×((3in) 2/4)×(ft/12in) 2 = 0.04 (ft) 2
G / شدت جریان جرمی گازA =
0.04(ft2) = 2462.52(lbm/hr)/G G = 61563 (lbm/hr.ft2)
HETP = 2.1×(61563)-0.37×(0.25)1.24×61/3×(7.08×10-4) = 8.21 ×10-6 (lb/ft)
NTU = (UA.L)/(G.Cp)
UA = (10G)0.16/d = (10×61563)0.16/0.25 = 33.76 (lb/hr.ft3)
NTU = (33.76×6)/(61563 ×1.25) = 2.63 (lb.R/Btu)
h= NTU×HETP
NTU = 6/(8.21 ×10-6) = 7.3 (lb.R/Btu)
نتیجه گیری :
زمانی که برج به حالت یکنواخت می رسد ، غلظت در تمام برج یکسان می شود و فرقی نمی کند که از کدام قسمت برج نمونه گیری می کنیم.منبع دمایی در پایین برج قرار دارد و هر چه از پایین به سمت بالا می رویم دما کاهش می یابد.هد مایع سبب می شود که بخارات از داخل مایع خارج شوند،بخار سبک به سمت بالا می رود و بخار سنگین در پایین قرار می گیرد.غلظت الکل در بالای برج 79% است و این نشان می دهد که غلظت ماده سبک در بالای برج بیشتر است،در پایین برج نیز غلظت الکل 40% است که این نشان دهنده ی غلظت کم الکل و غلظت بیشتر ماده سنگین، یعنی آب در پایین برج می باشد.
فهرست منابع:
1- تریبال رابرت . ترجمه دکتر طاهره کاغذ چی و دکتر مرتضی سهرابی . چاپ پنجم بهمن 1380 انتقال جرم ، نشر مرکز نشر دانشگاهی صنعتی امیرکبیر ( پلی تکنیک تهران )
2- وارن ال . مک کیب . جولیان سی . اسمیت . پیتر هریوت
ترجمه علی اصغر حمیدی ، داود رشتچیان ، محمد مهدی منتظر رحمتی ، چاپ اول 1380 عملیات واحد مهندسی شیمی ، نشر مرکز نشر دانشگاهی
3- ماکس . اس . پیترز . کلاوس دی . تیمرهاوس . ترجمه مجتبی سمنانی رهبر ، ساناز پورمند ، چاپ اول 1380 طراحی کارخانه و تحلیل مباحث اقتصادی برای مهندسین شیمی ، نشر دانشگاه امام حسین (ع)
4- دکتر مرتضی خسروی . سهیلا صداقت . چاپ اول زمستان 76، شیمی نشر دانشگاه امام حسین
