برج تقطیر در خلاء

برج تقطیر در خلاء یکی از حیاتی ترین واحدهای فرآیندی در پالایشگاه های نفت محسوب می شود که نقش کلیدی در جداسازی برش های سنگین باقی مانده از برج تقطیر اتمسفریک ایفا می کند. پس از انجام تقطیر اولیه نفت خام در فشار نزدیک به اتمسفر، بخش قابل توجهی از هیدروکربن های سنگین با نقطه جوش بسیار بالا در ته مانده برش برج تقطیر اتمسفریک باقی می مانند که در شرایط فشار معمول، تبخیر آنها مستلزم دماهای بسیار بالا خواهد بود. افزایش بیش از حد دما نه تنها موجب مصرف انرژی قابل توجه می شود، بلکه خطر بروز پدیده هایی مانند کراکینگ حرارتی، کک سازی و تخریب ساختار مولکولی ترکیبات نفتی را نیز به همراه دارد.

اساس عملکرد برج تقطیر در خلاء بر کاهش فشار عملیاتی سیستم استوار است. به گونه ای که با ایجاد فشارهای بسیار پایین تر از فشار اتمسفر، نقطه جوش هیدروکربن های سنگین به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. این شرایط راندمان تبخیر و جداسازی برش هایی نظیر گازوئیل خلاء سبک، گازوئیل خلاء سنگین و باقیمانده خلاء را بدون نیاز به دماهای بحرانی فراهم می سازد. چنین رویکردی نه تنها از تخریب حرارتی مواد جلوگیری می کند، بلکه کیفیت برش های تولیدی را نیز به طور چشمگیری بهبود می بخشد.  به علاوه زمینه را برای استفاده از آن ها در واحدهای پایین دستی مانند کراکینگ کاتالیستی، هیدروکراکر و تولید قیر مهیا می کند.

نحوه عملکرد برج تقطیر در خلاء

عملکرد برج تقطیر در خلاء بر پایه کاهش فشار عملیاتی و ایجاد شرایط تبخیر برای برش های سنگین نفتی استوار است. این فرآیند امکان جداسازی هیدروکربن هایی با نقطه جوش بالا را بدون رسیدن به دماهای مخرب فراهم می کند. مراحل عملکرد این برج بدین صورت است:

خوراک اصلی برج تقطیر در خلاء، باقیمانده ته برج تقطیر اتمسفریک است. این جریان شامل هیدروکربن های سنگین با دامنه وسیع وزن مولکولی بوده و به طور مستقیم قابلیت تبخیر در فشار معمول را ندارد. در فرآیندهای پالایشگاهی به مواد اولیه ورودی خوراک گفته می شود. این ماده معمولا پیش از ورود به برج خلاء، از مبدل های حرارتی عبور داده می شود تا با استفاده از بازیافت انرژی، پیش گرم شود. سپس خوراک پیش گرم شده وارد کوره خلاء می شود و تا دمایی در حدود 380 تا 430 درجه سانتی گراد گرم می گردد. این دما به شکلی انتخاب می شود که بدون آنکه فرآیندهای ناخواسته ای مانند کراکینگ حرارتی یا کک سازی اتفاق بیفتد، بیشترین میزان تبخیر برش های قابل جداسازی رخ دهد. کنترل دقیق زمان و نرخ گرمایش در این بخش اهمیت بسیار بالایی دارد.

کراکینگ حرارتی فرآیندی است که در آن هیدروکربن های سنگین نفتی در اثر دما و کاهش فشارهای بالا به مولکول های سبک و کوچک تر شکسته می شوند. این پدیده معمولا ناخواسته در برج تقطیر رخ می دهد و باعث افت کیفیت محصول، تشکیل کک و آسیب به تجهیزات می شود.

خوراک داغ از ناحیه فلش زون وارد برج تقطیر در خلاء می شود. همزمان سیستم خلاء با استفاده از اجکتورهای بخار، کندانسورها و یا پمپ های وکیوم صنعتی فشار داخل برج را به محدوده ای بسیار پایین تر از فشار اتمسفر می رساند. کاهش فشار باعث کاهش نقطه جوش اجزای سنگین شده و بخشی از خوراک به سرعت تبخیر می شود. ناحیه فلش زون بخشی از برج تقطیر در خلاء است که خرواک خروجی از کوره خلاء، پس از افت ناگهانی فشار به صورت آنی به دو فاز بخار و مایع تقسیم می شود. در این ناحیه اختلاف فشار بین کوره و داخل برج باعث می شود بخش قابل توجهی از هیدروکربن های با نقطه جوش پایین تر بدون نیاز به افزایش دما تبخیر شوند.

این بخارات به سمت بالای برج حرکت می کنند. و در تماس با سینی یا پکینگ های ویژه خلاء، فرایند تعادل جرم و حرارت انجام می شود. در این مرحله، اجزای سبک تر در ارتفاعات بالای برج جمع آوری و برش هایی مانند گازوئیل خلاء سبک و سنگین از طبقات مشخص برداشت می گردند. استفاده از تجهیزات با افت فشار کم در این بخش حیاتی است تا خلاء موثر حفظ شود. با افزایش راندمان جداسازی و کاهش فشار جزئی هیدروکربن ها، بخار آب اشباع یا فوق داغ به بخش های پایینی برج تزریق می شود. این بخار به تسهیل تبخیر اجزای سنگین تر کمک کرده و از تجمع مواد سنگین روی سینی ها جلوگیری می کند. همچنین بخار تزریقی به کاهش دمای عملیاتی موثر کمک می کند.

مواد بسیار سنگین که قابلیت تبخیر ندارند، در پایین برج جمع شده و به عنوان باقیمانده خلاء تخلیه می شوند. این جریان معمولا خوراک واحدهایی مانند تولید قیر، ویس بریکینگ یا کک سازی تاخیری است و از نظر اقتصادی اهمیت بالایی دارد. در انتها بخارات خروجی از بالای برج پس از عبور از کندانسورهای سطحی یا بارومتریک، سرد شده و بخش مایع آن جدا می شود. گازهای غیرقابل میعان توسط سیستم خلاء از برج خارج می گردند تا فشار پایین پایدار حفظ شود. عملکرد صحیح این سامانه مستقیما بر کیفیت برش ها و پایداری فرایند تاثیرگذار است.

اجزای اصلی برج تقطیر

برج تقطیر در خلاء مجموعه ای از تجهیزات و بخش های مهندسی شده است. هریک نقش مشخصی در ایجاد شرایط خلاء، جداسازی موثر برش های سنگین و پایداری عملیاتی واحد ایفا می کنند. طراحی این اجزاء به گونه ای است که حداقل افت فشار، حداکثر انتقال جرم و جلوگیری از تخریب حرارتی خوراک تضمین شود.

• بویلر

بویلر یا به بیان دیگر همان دیگ بخار در پایین برج قرار دارد و مسئول گرم کردن مخلوط مایع برای شروع فرآیند تبخیر است. با اعمال گرما از طریق بویلر با کمترین نقطه جوش قرآیند تبخیر اتفاق می افتد و بخار از طریق برج بالا می رود.

• بدنه برج

بدنه برج ساختار اصلی نگهدارنده تمامی تجهیزات داخلی است و معمولا از فولاد کربنب مقاوم در برابر دما و خوردگی ساخته می شود. قطر برج تقطیر در خلاء نسبت به برج تقطیر اتمسفریک بزرگ تر است. زیرا در فشار پایین حجم بخارات افزایش می یابد. ضخامت بدنه براساس فشار طراحی، دمای عملیاتی و استانداردهای جهانی تعیین می گردد.

• ناحیه فلش زون

فلش زون محل ورود خوراک داغ از کوره خلاء به داخل برج است. در این ناحیه بخشی از خوراک به دلیل افت ناگهانی فشار، به صورت آنی تبخیر شده و به دو فاز بخار و مایع تقسیم می شود. عملکرد صحیح فلش زون تاثیر مستقیمی بر کیفیت برش ها و جلوگیری از کرارینگ حرارتی دارد. فلش زون معمولا در قسمت میانی یا پایینی برج تقطیر در خلاء قرار دارد. طراحی صحیح محل فلش زون اهمیت بالایی دارد، زیرا جایگذاری نادرست موجب افت راندمان جداسازی و افزایش برگشت مایع می شود.

• تجهیزات داخلی برج

تجهیزات داخلی وظیفه ایجاد سطح مناسب بین فاز بخار و مایع را برعهده دارند و شامل سینی ها و پکینگ یا پرکننده ها هستند. در برخی طراحی ها از سینی های خاص با افت فشار کم استفاده می شود. این سینی ها امکان تعادل جرمی و حرارتی بین فازها را فراهم می کنند و دارای صفحات سوراخ داری هستند. این پکینگ ها دارای افت فشار بسیار پایین، راندمان جداسازی بالا و مقاومت مناسب در برابر دما هستند و برای شرایط خلاء ایده آل محسوب می شوند.

• سیستم تزریق بخار

برای کاهش فشار جزئی هیدروکربن ها و افزایش راندمان تبخیر، بخار آب به بخش های پایینی برج تزریق می شود. این سیستم شامل خطوط بخار، نازل ها و تجهیزات کنترلی است و در جلوگیری از تجمع مواد سنگین و کک سازی موثر است.

• بخش ته برج

ته برج محل تجمع سنگین ترین اجزای خوراک است که تخلیه می شوند. این بخش معمولا دارای سیستم گرم کم جانبی و خطوط خروجی به واحدهای پایین دستی مانند قیرسازی یا کک سازی است.

• کندانسورهای بالاسری

کندانسور در بالای برج تقطیر قرار دارد. بخارات خروجی از بالای برج ابتدا وارد کندانسورها می شوند تا اجزای قابل میعان سرد و مایع شوند. کندانسورها نقش مهمی در تثبیت شرایط خلاء و بازیافت محصولات سبک دارند.

• درام بالاسری

مایعات میعان یافته در درام جمع آوری می گردند. سپس از گازهای غیرقابل میعان جدا می شوند. در این درام به عنوان واسط بین برج  سیستم خلاء عمل می کند.

• سیستم خلاء (پمپ وکیوم)

یکی از مهم ترین اجزای برج تقطیر در خلاء سیستم خلاء است که شامل: پمپ های وکیوم صنعتی ، اجکتورهای بخار چند مرحله و کندانسورهای بارومتریک یا سطحی می باشد. این سیستم وظیفه ایجاد و حفظ فشار پایین در داخل برج را بر عهده دارد.

برج تقطیر در خلاء مجموعه ای پیچیده از تجهیزات مکانیکی، حرارتی و کنترلی است. هر جزء آن نقش مشخصی در عملکرد صحیح فرآیند ایفا می کند. هماهنگی دقیق میان اجزای مختلف برج، شرط اصلی دستیابی به راندمان بالا، کیفیت مطلوب محصولات و ایمنی عملیاتی در پالایشگاه است.

دلایل اهمیت دایکست برای برج تقطیر در خلاء

دایکست یک روش پیشرفته ریخته گری تحت فشار است که در آن فلز مذاب با فشار بالا داخل قالب های فلزی دقیق تزریق می شود. این فرآیند امکان تولید قطعات با دقت ابعادی بسیار بالا، سطح صاف و تکراپذیری مناسب را فراهم می کند. در صنایع پالایشگاهی دایکست بیشتر برای قطعات جانبی، تجهیزات کنترلی و اجزای خاص با هندسه پیچیده میورد استفاده قرار می گیرد.  بدنه اصلی برج تقطیر در خلاء به وسیله جوشکاری ساخته می شود. اما دایکست در تولید برخی قطعات مانند نازل های تزریق بخار، قطعات توزیع کننده جریان، برخی اجزای داخلی پکینگ ها، بدنه شیرها و اتصالات کنترلی نقش مهمی دارد.

• دقت ابعادی بسیار بالا: در شرایط خلاء، تلرانس های کوچک پراهمیت هستند. دایکست امکان تولید قطعات با ابعاد دقیق و یکنواخت را فراهم می کند. پمپ های وکیوم به تلرانس های بسیار دقیق بین روتور، تیغه یا اسکرول و بدنه نیاز دارند. دایکست قطعاتی با تلرانس کم و یکنواخت تولید می کند که باعث کاهش نشتی، افزایش خلاء نهایی و بهبود راندمان پمپ می شود.
• آب بندی بهتر و کاهش نشتی: دایکست سطح نهایی صاف تری ایجاد می کند. بنابراین احتمال نشتی هوا به داخل برج را کم می کند. بنابراین ماشین کاری بعدی کمتر است و خطای مونتاژ، هزینه و زمان تولید کاهش می یابد.
• یکنواختی جریان: قطعاتی مانند نازل ها و دیفیوزرهای دایکست باعث
• استحکام مناسب با وزن کمتر: قطعات دایکست به خصوص قطعات آلومینیومی نسبت استحکام به وزن بالایی دارند. این موضوع باعث می شود وزن کلی پمپ و ارتعاش کاهش پیدا کند. و عمر یاتاقان و آب بندها افزایش یابد.
• تکرار پذیری بالا در تولید: در تولید سری پمپ های وکیوم دایکست باعث می شود تمام پمپ ها عملکرد تقریبا یکسان داشته باشند. و کیفیت خلاء از یک دستگاه به دستگاه دیگر تغییر نکند.

مشخصات فنی

مشخصات فنی برج تقطیر در خلاء به گونه ای انتخاب می شوند که امکان جداسازی موثر برش های سنگین نفتی در فشار پایین، بدون وقوع کراکینگ حرارتی و کک سازی فراهم گردد.
فشار پایین باعث کاهش نقطه جوش اجزای سنگین و جلوگیری از تخریب حرارتی می شود. محدوده فشار مطلق در بالای برج 20 تا 50 میلی بار است. فشار در ناحیه فلش زون 50 تا 100 میلی بار و فشار ته برج به دلیل ستون مایع کمی بالاتر از فلش زون می باشد. دمای خروجی کوره خلاء 380 تا 430 سانتی گراد است. این دما به سمت بالای برج کاهش می یابد. قطر برج با افزایش ظرفیت به طور قابل توجهی افزایش می یابد. پکینگ ها معمولا از جنس فولاد ضدزنگ یا آلیاژهای مقاوم به دما هستند.

جمع بندی

برج تقطیر در خلاء یکی از حیاتی ترین واحدهای فرآیندی در پالایشگاه های نفت خام به شمار می رود که امکان جداسازی برش های سنگین و با نقطه جوش بالا را بدون نیاز به دماهای بحرانی فراهم می کند. کاهش فشار عملیاتی در این برج، نه تنها از بروز پدیده های مخربی مانند کراکینگ حرارتی و کک سازی جلوگیری می نماید، بلکه موجب حفظ کیفیت ساختاری هیدروکربن ها و افزایش ارزش افزوده محصولات خروجی می شود. به همین دلیل عملکرد پایدار و بهینه برج تقطیر در خلاء تاثیر مستقیمی بر راندمان کلی پالایشگاه و اقتصاد فرآیند دارد.
نحوه عملکرد این برج بر پایه تعامل دقیق میان دما، فشار و مدت زمان فرآیند استوار است. خوراک که همان ماده باقی مانده برج تقطیر محسوب می شود، پس از گرمادهی در کوره وارد ناحیه فلش زون می شود. و در اثر افت ناگهانی فشار، به صورت آنی به فاز بخار و مایع تفکیک می گردد. طراحی صحیح فلش زون، انتخاب مناسب تجهیزات داخلی با افت فشار کم و جانمایی دقیق طبقات از عوامل کلیدی در دستیابی به جداسازی موثر برش ها محسوب می شوند.
در نهایت سیستم خلاء به ویژه پمپ های وکیوم، نقش تعیین کننده ای در پایداری فرآیند دارند. استفاده از قطعات دقیق و باکیفیت در پمپ های وکیوم، از جمله قطعات تولید شده به روش ریخته گری دایکست، موجب کاهش نشتی داخلی، بهبود آب بندی، افزایش خلاء نهایی و ارتقای عمر مفید تجهیزات می شود. دقت ابعادی بالا، یکنواختی ساخت و بهینه سازی مسیر جریان سیال از مزایای کلیدی دایکست است که آن را به گزینه ای مناسب برای کاربردهای خلاء صنعتی تبدیل می کند. عملکرد برج تقطیر در خلاء با بهره گیری از سیستم خلاء کارآمد، نه تنها یک واحد عملیاتی بلکه یکی از ستون های اصلی توسعه فناوری پالایش نفت های سنگین و فوق سنگین در پالایشگاه ها به شمار می آید.