پیشگفتار

       تقطیر ، در واقع ، جداسازی فیزیکی برشهای نفتی است که اساس آن ، اختلاف در نقطه جوش

هیدروکربنهای مختلف است. هر چه هیدروکربن سنگینتر باشد، نقطه جوش آن زیادتر است و هر چه

هیدروکربن سبکتر باشد، زودتر خارج می‌شود. اولین پالایشگاه تاسیس شده در جهان ، در سال 1860 در

 ایالت پنسیلوانیای آمریکا بوده است. نفت خام ، از کوره‌های مبدل حرارتی عبور کرده، بعد از گرم شدن

وارد برجهای تقطیر شده و تحت فشار و دما به دو صورت از برجها خارج می‌شود و محصولات بدست

آمده خالص نیستند. انواع برجهای تقطیر در زیر توضیح داده می‌شوند.

 تقطیر

   برای جداسازی اجزای یک مخلوط مایع، استفاده از اختلاف نقطه جوش اساس فرآیند تقطیر را تشکیل

می دهد . در بیشتر موارد موادی که اختلاف نقطه ی جوش آنها قابل توجه است را می توان به وسیله

حرارت دادن تفکیک نمود در این صورت ماده با دمای جوش پایین تر ، سریعتر به جوش آمده و ماده با

دما جوش بالا باقی می ماند و این امر اساس فرایند تقطیر را تشکیل می دهد. اجزایی را که در اثر

حرارت دادن بخار می شوند وارد سرد کننده می کنند تا به صورت مایع جمع آوری گردد.

انواع سیستمهای دارای انحراف از قانون رائول

    سیستمهای که از قانون رائول انحراف مثبت دارند:

          در این حالت در منحنی فشار کل ، ماکسیممی وجود دارد. این ماکسیم مربوط به محلولی ، با

ترکیب درصد معینی است که فشار بخار آن بالاتر از فشار بخارهر یک اجزای خالص است. این نوع

محلول که "محلول آزئوتروپ با نقطه جوش مینیمم" نام دارد، در دمایی به جوش می‌آید که پایین‌تر از

نقطه جوش هر یک از اجزای آن در حالت خاص است.

سیستمهای که از قانون رائول انحراف منفی دارند:

          اگر سیستمی انحراف منفی از قانون رائول نشان دهد، در منحنی فشار کل مینیممی وجود خواهد

داشت.محلولی که غلظت متناظر با این مینیمم دارد، فشار بخاری خواهد داشت که در هر دمایی ، پایین‌تر

 از فشار بخار هر یک از اجزای آن در حالت خاص است. چنین محلولی در دمایی بالاتر از نقطه جوش

هر یک از اجزای سازنده در حالت خاص ، می‌جوشد. این محلول ، "آزئوتروپ با نقطه جوش ماکسیم"

نامیده می‌شود.

مراحل تقطیر با استفاده از قانون رائول

در تقطیر محلولی از A و B ، غلظت A        در بخاری که خارج شده و مایع می‌شود، بیش از غلظت آن

در مایع باقی‌مانده است. با ادامه عمل تقطیر ، ترکیب درصد اجزا در بخار و مایع دائما تغییر می‌کند و این

در هر لحظه عمومیت دارد. با جمع آوری مایعی که از سرد شدن بخار حاصل می‌شود و از تقطیر مجدد

آن و با تکرار پی در پی این عمل ، سرانجام می‌توان اجزای سازنده مخلوط اصلی را به صورتی واقعا

خالص به دست آورد.

 تقطیر جزء به جزء مخلوطهای دو جزئی و چند جزئی

        هدف از تقطیر ، جداسازی خوراک به بخارهایی از محصولات تقریبا خالص است در تقطیر سیستم

های دو جزئی ، درجه خلوص با کسر مولی جزء سبک در محصول تقطیر X_O و در محصول ته مانده _B

 بیان می‌شود. در سیستم های دو جزئی از یک مرحله به مرحله دیگر ، به جزء در نقطه آزئوتروپ ، دما

 و منحنی تعادل تغییر می‌کنند و یک جزء در تمام ستون فرارتر است. اما در سیستم های چند جزئی یک

جزء ممکن است در یک قسمت ستون فرارتر و در قسمت دیگر فراریت کمتری داشته باشد، که ماهیت

پیچیده غلظت اجزا را نشان می‌دهد. تعادل فازی سیستم های چند جزئی نسبت به دو جزئی بسیار پیچیده

است، به دلیل اینکه تعداد اجزاء زیاد است وتعادل به دما بستگی دارد و دما از یک مرحله به مرحله دیگر

تغییر می‌کند.

فرایند تقطیر جزء به جزء

        تقطیر جزء به جزء در ستون تقطیر سینی دار و یا پر شده انجام می‌گیرد، به این ترتیب که بخارات

حاصل شده، از پایین به طرف بالای ستون حرکت می‌کند و با فاز مایعی که از میعان بخارات قبلی که در

طول ستون تولید شده اند و به طرف پایین جریان دارند، در تماس می‌باشد و به این صورت تماس کامل

بین فاز گاز و مایع برقرار می‌شود. درجه حرارت هر سینی پایینی خود کمتر است، و در ستون تقطیر ،

دما از پایین به بالا ، کم می‌گردد. بخارهایی که نقطه میعان آنها ، مساوی درجه حرارت سینی باشد، و

روی آن سینی به مایع تبدیل می‌شود و روی آن جمع می‌گردد و به روی سینی پایینی می‌ریزد. در نتیجه

این عمل فاز بخار ، که غنی از جزء سبک است، از بالای ستون خارج می‌شود و فاز مایع که غنی از

جزء سنگین از پایین جمع آوری می‌گردد. بخارهای خارج شده از قسمت بالای ستون در کندانسورها به

مایع تبدیل شده، به عنوان محصول جمع آوری می‌گردد معمولا مقداری از این مایع جمع آوری شده جهت

کنترل دمای ستون تقطیر به عنوان مایع برگشتی به داخل آن برمی‌گردد. قسمت بالای ستون تقطیر تا سینی

که خوراک روی آن می‌ریزد به نام منطقه" تفکیک ستون" گویند و قسمت پایین ستون مربوط به خوراک

را منطقه "عریان کننده" می‌نامند.

تقطیر استخراجی :

       جداسازی اجزای با نقطه جوش تقریبا یکسان از طریق تقطیر ساده مشکل است حتی اگر مخلوط ایده

آل باشد و به دلیل تشکیل آزئوتروپ ، جداسازی کامل آنها غیر ممکن است برای چنین سیستم هایی با

 افزایش یک جزء سوم به مخلوط که باعث تغییر فراریت نسبی ترکیبات اولیه می‌شود، جداسازی ممکن

 می‌شود. جزء افزوده شده باید مایعی با نقطه جوش بالا باشد، قابلیت حل شدن در هر دو جزء کلیدی را

داشته باشد و از لحاظ شیمیایی به یکی از آنها شبیه باشد. جزء کلیدی که به حلال بیشتر شبیه است ضریب

فعالیت پایین تری از جزء دیگر محلول دارد، در نتیجه جداسازی بهبود می یابد این فرآیند ، تقطیر

 استخراجی نام دارد.

مثالی از تقطیر استخراجی، استفاده از فور فورال در جداسازی بوتادی‌ان و بوتن است، فورفورال که

حلالی به شدت قطبی است، فعالیت بوتادی ان را بیش تر از بوتن و بوتان کم می‌کند و غلظت بوتادی ان

وفورفورال وارد قسمت فوقانی ستون تقطیر استخراجی شود، با انجام تقطیر بوتادی ان از فورفورال جدا

می‌شود.

تقطیر به کمک بخار آب و تقطیر آزئوتروپی:

     تقطیر به کمک بخار آب : یکی دیگر از طرق تقطیر آن است که بخار آب را در دستگاه تقطیر وارد

می‌کنند در این صورت بی آنکه خلاء‌ای ایجاد گردد، اجزای نفت خام در درجه حرارت کمتری تبخیر

می‌شوند. این مورد معمولا در زمانی انجام می‌شود که در نقطه جوش آب ، فشار بخار اجزای جدا شونده

بالا باشد تا به همراه بخار آب از مخلوط جدا گردند.

  تقطیر آزئوتروپی : از این روش تقطیر معمولا در مواردی که نقطه جوش اجزاء مخلوط بهم نزدیک

 باشند استفاده می‌شود، جداسازی مخلوط اولیه ، با افزایش یک حلال خاص که با یکی از اجزای کلیدی ،

آزئوتوپ تشکیل می‌دهد امکان‌پذیر است. آزئوتروپ محصول تقطیر یا ته مانده را از ستون تشکیل می‌دهد

و بعد حلال و جزء کلیدی را از هم جدا می‌کند. اغلب ، ماده افزوده شده آزئوتروپی با نقطه جوش پایین

تشکیل می‌دهد که به آن شکننده آزئوتروپ می‌گویند. آزئوتروپ اغلب شامل اجزای خوراک است، اما

نسبت اجزای کلیدی به سایر اجزای خوراک خیلی متفاوت بوده و بیشتر است.

تقطیر تبخیر آنی :

         وقتی محلول چند جزئی مانند نفت خام را حرارت می‌دهیم، اجزای تشکیل دهنده آن بترتیب که

 سبکترهستند، زودتر بخار می‌شود. برعکس وقتی بخواهیم این بخارها را سرد و دوباره تبدیل به مایع

کنیم، هر کدام که سبکتر باشد دیرتر مایع می‌گردد. با توجه به این خاصیت ، می‌توانیم نفت خام را به روش

دیگری که به آن "تقطیر آنی" گویند، تقطیر نماییم. در این روش ، نفت خام را چنان حرارت می‌دهیم که

 ناگهان همه اجزای آن تبدیل به بخار گردد و سپس آنها را سرد می‌کنیم تا مایع شود. در اینجا ، بخارها به

ترتیب سنگینی ، مایع می‌شوند یعنی هرچه سنگین‌تر باشند، زودتر مایع می‌گردند و بدین گونه ، اجزای

نفت خام را با ترتیب مایع شدن از هم جدا می‌کنیم.

:   تقطیر در خلا

     با توجه به اینکه نقطه جوش مواد سنگین نفتی نسبتا بالاست و نیاز به دما و انرژی بیشتری دارد، و از

طرف دیگر ، مقاومت این مواد در مقابل حرارت بالا کمتر می‌باشد و زودتر تجزیه می‌گردند، لذا برای

جداکردن آنها از خلا نسبی استفاده می‌شود. در این صورت مواد دمای پایین‌تر از نقطه جوش معمولی خود

به جوش می‌آیند. در نتیجه ، تقطیر در خلا ، دو فایده دارد: اول این که به انرژی و دمای کمتر نیاز است،

دوم اینکه مولکولها تجزیه نمی‌شوند. امروزه در بیشتر موارد در عمل تقطیر ، از خلا استفاده می‌شود.

 یعنی این که: هم تقطیر جزء به جزء و هم تقطیر آنی را در خلا انجام می‌دهند.

تقطیر ساده غیر مداوم و تقطیر ساده مداوم:

      تقطیر ساده غیر مداوم : در این روش تقطیر ، مخلوط حرارت داده می‌شود تا بحال جوش درآید

بخارهایی که تشکیل می‌شود غنی از جزء سبک مخلوط می‌باشد پس از عبور از کندانسورها (میعان کننده

ها) تبدیل به مایع شده ، از سیستم تقطیر خارج می‌گردد. به تدریج که غلظت جزء سنگین مخلوط در مایع

باقی مانده زیاد می‌شود، نقطه جوش آن بتدریج بالا می‌رود. به این ترتیب ، هر لحظه از عمل تقطیر ،

 ترکیب فاز بخار حاصل و مایع باقی مانده تغییر می‌کند. 

تقطیر ساده مداوم : در این روش ، مخلوط اولیه (خوراک دستگاه) بطور مداوم با مقدار ثابت در واحد

 زمان ، در گرم کننده گرم می‌شود تا مقداری از آن بصورت بخار درآید، و به محض ورود در ستون

تقطیر ، جزء سبک مخلوط بخار از جزء سنگین جدا می شود و از بالای ستون تقطیر خارج می‌گردد و

بعد از عبور از کندانسورها ، به صورت مایع در می‌آید جزء سنگین نیز از ته ستون تقطیر خارج می‌شود.

قابل ذکر است که همیشه جزء سبک مقداری جزء سنگین و جزء سنگین نیز دارای مقداری از جزء سبک است.

محصولات روش تقطیر مداوم عبارتند از:

 1     - گاز اتان و متان بعنوان سوخت پالایشگاه 2-گاز پروپان و بوتان بعنوان گاز مایع و خوراک

واحدهای پتروشیمی 3- بنزین موتور و نفتهای سنگین بعنوان خوراک واحد های تبدیل کاتالیستی برای

 تهیه بنزین بادرجه آروماتیسیته بالاتر 4-حلال ها 5- نفت سفید6- سوخت جت سبک و سنگین 7- نفت گاز

8- خوراک واحد های هیدرو کراکینگ و واحد های روغن سازی 9- نفت کوره و 10- انواع آسفالت ها.

در این روش ابتدا نفت خام را تا حدود 400 گرم می کنند تا بخاری داغ و مخلوطی سیال تولید کند که وارد

برج تقطیر می شود. در این برج بخارها بالا می روند و درنقاط مختلف و درطول برج متراکم و به مایع

تبدیل می شوند. اجزایی که نقطه جوش کمتری دارند(یعنی فرار ترند)بیشتر از اجزایی که نقطه جوش

بیشتری دارند ،به حالت گاز باقی می مانند. این تفاوت در گستره های نقطه جوش امکان می دهد که

اجزای نفت از هم جدا شوند. به همان طریقی که در یک تقطیر آب و الکل بطور جزئی از هم جدا می

شوند. بعضی از گاز ها مایع نمی شوند و از بالای برج بیرون می روند. باقی مانده تبخیر نشده نفت نیز

در ته برج جمع می شوند.

تقطیر با مایع برگشتی:
     اگر در روش 1 بخار حاصل را بعد از مایع کردن دوباره به داخل برج برگردانیم -این مایع،مایع

برگشتی خوانده می شود-. تقطیر با مایع برگشتی خوانده میشود. در این روش مایع برگشتی با بخارات در

 حال صعود در تماس قرار داده می شود تا انتقال ماده و انتقال حرارت، صورت گیرد.از آنجا که مایعات

در داخل برج در نقطه جوش خود هستند،پس در هر تماس از بخار،تبدیل به مایع می شودو بلعکس.

در نهایت تماس ها منجر به فراهم آمدن بخاری اشباع از هیدرو کربن ها با نقطه جوش کم و مایعی اشباع

از مواد نفتی با نقطه جوش زیاد میباشد.

دراین روش، بخاطر استفاده از تماس بخار و مایع میتوان محصولات مورد نیاز را با هر درجه خلوص

تولید کرد،البته به شرط اینکه به مقدار کافی مایع بر گشتی وسینی در برج موجود باشد . ابزار ما برای

تغییر درجه جوش در این روش مقدار مایع برگشتی و یا تعداد سینی های داخل برج می باشد.

باید به این نکته توجه کرد که با افزایش مایع برگشتی به منظور افزایش درجه خلوص به همان مقدار

مصرف سوخت نیز بالا می رود، چون این از نظر اقتصادی برای ما بصرفه نیست، تعداد سینی ها را در

برج افزایش می دهیم.

برج های تقطیر:
       بطور کلی برج تقطیر شامل 4 قسمت اصلی می باشد:

1- برج 2-سیستم جوشاننده 3-سیستم چگالنده 4-تجهیزات جانبی شامل انواع سیستم های کنترل کننده ،

مبدل های حرارتی میانی،پمپ ها و خازن جمع آوری محصول.

اينک به بيان عبارات و اصطلاحاتي که در اين ارتباط (فرآيند تقطير) کاربرد زيادي دارد پرداخته مي شود.

خوراک (Feed):

             مخلوط ورودي به داخل برج که ممکن است مايع، گاز و يا مخلوطي از مايع و گاز باشد، خوراک نام دارد. Feedمعمولا محل خوراک در نقطه مشخصي از برج است که از قبل تعيين مي شود. در برجهاي سيني دار محل ورودي خوراک را سيني خوراک يا مي نامند. از جمله مشخصات مهم سيني خوراک اين است که از نقطه نظر درجه حرارت و ترکيب نسبي (کسر مولي) ، جزء مورد نظر با خوراک ورودي مطابقت داشته باشد. البته محل خوراک ورودي به حالت فيزيکي خوراک نيز بستگي دارد. معمولا اگر خوراک بصورت مايع باشد، همراه با مايعي که از سيني بالايي سرازير مي شود به درون سيني خوراک وارد مي گردد. اگر خوراک بصورت بخار باشد معمولا آن را از زير سيني خوراک وارد مي کنند و اگر خوراک بصورت مخلوطي از مايع و بخار باشد، بهتر است که ابتدا فاز مايع و بخار را از هم جدا نموده و سپس به طريقي که گفته شد خوراک را وارد برج نمايند. ولي عملا به منظور صرفه جويي از هزينه هاي مربوط به تفکيک دو فاز بخار و مايع، عمل جداسازي به ندرت صورت مي گيرد.

محصول بالاسري:

   آنچه از بالي برج به عنوان خروجي از آن دريافت مي شود محصول بالاسري ناميده مي شود که معمولا غني از جزئي که از نقطه جوش کمتري برخوردار است مي باشد.

محصول ته مانده :

    ماده اي که از پايين برج خارج مي شود ته مانده يا محصول انتهايي نام دارد و معمولا غني از جزء يا اجزائ سنگين تر (که از نقطه جوش بالاتري برخوردار مي باشند) خواهد بود.

نسبت برگشت (پس ريز):

   نسبت مقدار مايع برگشتي به برج بر حسب مول يا وزن به مايع يا بخاري که به عنوان محصول از سيستم خارج مي شود را نسبت برگشتي مي گويند

 برج:

    برج های مورد استفاده در صنعت در 2 دسته اساسی زیرطبقه بندی می شوند 1- برج های سینی

 دار 2- برج های پر شده .

1-1- برج های سینی دار ؛ اساساً در 4 دسته زیر خلاصه می شوند . الف: برج های سینی دار از نوع

کلاهک های (فنجانی) ب: برج سینی دار از نوع غربالی پ : برج سینی دار از نوع در یچه ای ت: برج

سینی دار از نوع فورانی

برجهای تقطیر سینی دار

طرز کار یک برج سینی دار

     بطور کلی فرآیندی که در یک برج سینی دار اتفاق می افتد، عمل جداسازی مواد است. همانطور که

ذکر شد فرآیند مذکور به طور مستقیم یا عیرمستقیم انجام می پذیرد.

در فرآیند تقطیر منبع حرارتی (Reboiler)، حرارت لازم را جهت انجام عمل تقطیر و تفکیک مواد

سازنده یک محلول تأمین میکند. بخار بالارونده از برج با مایعی که از بالای برج به سمت پایین حرکت

می کند، بر روی سینی ها تماس مستقیم پیدا می کنند. این تماس باعث ازدیاد دمای مایع روی سینی شده و

 نهایتا باعث نزدیک شدن دمای مایع به دمای حباب می گردد. با رسیدن مایع به دمای حباب به تدریج

اولین ذرات بخار حاصل می شود که این بخارات غنی از ماده فرار (ماده ای که از نقطه جوش کمتری و

یا فشار بالاتری برخوردار است) می باشد.از طرفی دیگر در فاز بخار موادی که از نقطه جوش کمتری

برخوردار هستند، تحت عمل میعان قرار گرفته و بصورت فاز مایع به سمت پایین برج حرکت می کند.

 مهمترین عملکرد یک برج ایجاد سطح تماس مناسب بین فازهای بخار و مایع است. هر چه سطح تماس

افزایش یابد عمل تفکیک با راندمان بالاتری صورت میگیرد. البته رژیم جریان مایع بر روی سینی نیز از

جمله عوامل مهم بر عملکرد یک برج تفکیک می باشد.

برجهای تقطیر با سینی کلاهکدار

     در برجهای تقطیر با سینی کلاهکدار ، تعداد سینیها در مسیر برج به نوع انتقال ماده و شدت تفکیک

بستگی دارد. قطر برج و فاصله میان سینی‌ها به مقدار مایع و گاز که در واحد زمان از یک سینی

می‌گذرد، وابسته است. هر یک از سینی‌های برج ، یک مرحله تفکیک است. زیرا روی این سینیها ، فاز

گاز و مایع در کنار هم قرار می‌گیرند و کار انتقال ماده از فاز گازی به فاز مایع یا برعکس در هر یک از

سینی‌ها انجام می‌شود. برای اینکه بازدهی انتقال ماده در هر سینی به بیشترین حد برسد، باید زمان تماس

 میان دو فاز و سطح مشترک آنها به بیشترین حد ممکن برسد.

بخشهای مختلف برج تقطیر با سینی کلاهکدار

بدنه و سینیها: جنس بدنه معمولا از فولاد ریخته است. جنس سینی‌ها معمولا از چدن است. فاصله سینی‌ها

 را معمولا با توجه به شرایط طراحی ، درجه خلوص و بازدهی کار جداسازی بر می‌گزینند. در بیشتر

 پالایشگاههای نفت ، برای برجهای تقطیر به قطر 4ft فاصله میان 50 - 18 سانتیمتر قرار می‌دهند. با

بیشتر شدن قطر برج ، فاصله بیشتری نیز برای سینی‌ها در نظر گرفته می‌شود.

سرپوشها یا کلاهکها: جنس کلاهکها از چدن می‌باشد. نوع کلاهکها با توجه به نوع تقطیر انتخاب می‌شود

و تعدادشان در هر سینی به بیشترین حد سرعت مجاز عبور گاز از سینی بستگی دارد.

موانع یا سدها: برای کنترل بلندی سطح مایع روی سینی ، به هر سینی سدی به نام "وییر" (wier) قرار

می‌دهند تا از پایین رفتن سطح مایع از حد معنی جلوگیری کند. بلندی سطح مایع در روی سینی باید چنان

باشد که گازهای بیرون آمده از شکافهای سرپوشها بتوانند از درون آن گذشته و زمان گذشتن هر حباب به

 بیشترین حد ممکن برسد. بر اثر افزایش زمان گذشتن حباب از مایع ، زمان تماس گاز و مایع زیاد شده ،

بازدهی سینی‌ها بالا می‌رود.

برجهای تقطیر با سینی‌های مشبک

       در برجهای با سینی مشبک ، اندازه مجراها یا شبکه‌ها باید چنان برگزیده شوند که فشار گاز بتواند گاز را از فاز مایع با سرعتی مناسب عبور دهد. عامل مهمی که در بازدهی این سینیها موثر است، شیوه

کارگذاری آنها در برج است. اگر این سینیها کاملا افقی قرار نداشته باشند، بلندی مایع در سطح سینی

یکنواخت نبوده و گذر گاز از همه مجراها یکسان نخواهد بود.

خورندگی فلز سینیها هم در این نوع سینیها اهمیت بسیار دارد. زیرا بر اثر خورندگی ، قطر سوراخها زیاد

می‌شود که در نتیجه مقدار زیادی بخار با سرعت کم از درون آن مجاری خورده شده گذر خواهد کرد. و

 می‌دانیم که اگر سرعت گذشتن گاز از حد معینی کمتر گردد، مایع از مجرا به سوی پایین حرکت کرده

بازدهی کار تفکیک کاهش خواهد یافت.

برجهای تقطیر با سینی‌های دریچه‌ای

این نوع سینیها مانند سینیهای مشبک هستند. با این اختلاف که دریچه‌ای متحرک روی هر مجرا قرار

گرفته است. در صنعت نفت ، دو نوع از این سینیها بکار می‌روند:

انعطاف پذیر: همانطور که از نام آن برمی‌آید، دریچه‌ها می‌توانند بین دو حالت خیلی باز یا خیلی بسته

 حرکت کنند.

صفحات اضافی: در این نوع سینیها ، دو دریچه یکی سبک که در کف سینی قرار می‌گیرد و دیگری

سنگین که بر روی سه پایه‌ای قرار گرفته ، تعبیه شده است. هنگامی که بخار کم باشد، تنها سرپوش سبک

به حرکت در می‌آید. اگر مقدار بخار از حد معینی بیشتر باشد، هر دو دریچه حرکت می‌کنند.

مقایسه انواع گوناگون سینی‌ها

      در صنعت نفت ، انواع گوناگون سینی‌ها در برجهای تقطیر ، تفکیک و جذب بکار برده می‌شوند.

تماس بخار و مایع ، ظرفیت سینی ، افت بخار در هنگام گذشتن از سینی ، زمان ماندن مایع بر روی سینی

، مشخصات مایع و ... . چون در صنعت بیشتر سینی‌های کلاهکدار بکار برده می‌شوند، برای مقایسه

مشخصات سینی‌های دیگر ، آنها را نسبت به سینی‌های کلاهکدار ارزیابی می‌کنند.

برجهای انباشته

     در برجهای انباشته ، بجای سینی‌ها از تکه‌ها یا حلقه‌های انباشتی استفاده می‌شود. در برجهای انباشته

حلقه‌ها یا تکه‌های انباشتی باید به گونه‌ای برگزیده و در برج ریخته شوند که هدفهای زیر عملی گردد.

ایجاد بیشترین سطح تماس میان مایع و بخار

ایجاد فضا مناسب برای گذشتن سیال از بستر انباشته

جنس مواد انباشتی:

این مواد باید چنان باشند که با سیال درون برج ، میل ترکیبی نداشته باشند.

استحکام مواد انباشتی :

جنس مواد انباشتی باید به اندازه کافی محکم باشد تا بر اثر استفاده شکسته نشده و تغییر شکل ندهد.

شیوه قرار دادن مواد انباشتی :

مواد انباشتی به دو صورت منظم و نامنظم درون برج قرار می‌گیرند.

پر کردن منظم: از مزایای این نوع پر کردن، کمتر بودن افت فشار است که در نتیجه می‌شود حجم بیشتر

مایع را از آن گذراند.

پر کردن نامنظم: از مزایای این نوع پر کردن ، می‌توان به کم هزینه بودن آن اشاره کرد. ولی افت فشار

 بخار در گذر از برج زیاد خواهد بود.

1. GENERAL

This chapter contains the basis of design, the material balance, steam balance and cooling water balance as used for the plant design.

2. DESIGN BASIS

2.1     Product Capacity

(1)   The Urea Synthesis Section shall produce sufficient quantity of the urea solution to be required for the production capacity of 3,250 MTPD of granulated urea in the Urea Granulation Section.

(2)   The Urea Plant is designed to operate satisfactorily at 60% turn down ratio.

(3)   Annual on stream day shall be 330 on-stream-days (7,920 hours) per year.

2.2     Urea Product from Urea Plant

Characteristics                         Standard Granule Size         Large Granule Size

Nitrogen Content (min.)                     46 wt%                              46 wt%

Moisture (max.)                                  0.3 wt%                             0.4 wt%

Biuret (max.)                                      0.8 wt%                             0.8 wt%

Formaldehyde (max.)                        0.55 wt%                           0.55 wt%

Crushing Strength (min.)         3.0 kg (Dia: 3.15 mm)        7.0 kg (Dia : 6.3 mm)

Average Diameter                                 3 mm                                6.3 mm

Size Distribution                            90 wt% (min)                     90 wt% (min)

                                                          2 to 4 mm                          4 to 8 mm

pH (10% Solution at 20 °C)      8.5 - 9.5 (expected)           8.5 - 9.5 (expected)

Angle of repose °D                     27 - 30 (expected)             27 - 30 (expected)

Bulk Density g/lit.                    750 / 760 (expected)          720 / 730 (expected)

(Loose / Tapped)

Dust (less than 0.55 mm)          0.2 wt% (expected)           0.2 wt% (expected)

Temperature (°C) (max.)                         48                                       48

2.3     Feedstock Characteristics

2.3.1    Ammonia Liquid Feed Condition from Ammonia Plant to Urea Plant

(1)   Composition

-    NH₃  :    min. 99.9 wt%

-    H₂O  :    max. 0.1 wt%

-    Oil    :    0

(2)   Supply press. / temp. at Urea Plant B. L.

-    Supply pressure          :    18 barA

-    Supply temperature    :    17 °C

(3)   Dissolved gas content in liquid ammonia feed to Urea Plant

-    H₂     :    max. 0.76 Nm³/ton NH₃

-    N₂      :    max. 0.47 Nm³/ton NH₃

-    Ar     :    max. 0.08 Nm³/ton NH₃

-    CH₄  :    max. 1.58 Nm³/ton NH₃

2.3.2    CO₂ Gas Feed Supply Conditions from Ammonia Plant to Urea Plant

(1)   Composition

-    CO₂  :    min. 99.0 dry mol%

-    H₂     :    max. 0.8 dry mol%      *1)

-    N₂     :    max. 0.2 dry mol%

-    H₂O  :    saturated at 1.8 barA and 43 °C

*1)  Design for H₂ Converter

(2)   Supply press. / temp. at Urea Plant B. L.

-    Supply pressure          :    1.8 barA

-    Supply temperature    :    43 °C

2.3.3    Formaldehyde Solution (UF85) Feed

The UF85 will be delivered by trucks or in ISO containers.

-    State                                  :    liquid

-    Temperature                      :    ambient

-    Pressure                             :    atm

-    Composition                      :

Urea                      :    25 wt%

Formaldehyde       :    60 wt%

Water                    :    balance

2.4     Utility Characteristics

Design Basis of The Ammonia and Urea Complex “00-ESS-PR-101-Rev. 0” shall be applied to the utilities characteristics.

2.5    Climatic Conditions

Design Basis of The Ammonia and Urea Complex “00-ESS-PR-101-Rev. 0” shall be applied to the Climatic Conditions.

2.6     Emission and Effluents

The expected quantity and quality of major waste streams from Urea Plant during normal operation at 3,250 MTPD standard size granule urea production are as follows:

2.6.1    Gaseous Effluent to atmosphere

2.6.1.1     Vent Gas from the MP Absorber (T-6501)

-     Flow rate                       :    2,424 Nm³/h

-     Temperature                   :    22.5 °C

-     M. W.                             :    27.6

-     Composition

CO₂                         :      14 vol. ppm

NH₃                        :      92 vol. ppm

H₂O                        :        0.3 vol%

N₂                           :      83.4 vol%

O₂                           :      12.7 vol%

H₂                           :        3.5 vol%

2.6.1.2     Vent Gas from the LP Absorber (T-7002)

-     Flow rate                       :    88.7 Nm³/h

-     Temperature                   :    19.7 °C

-     M. W.                             :    28.5

-     Composition

CO₂                         :      99 vol. ppm

NH₃                        :    446 vol. Ppm

H₂O                        :        2.3 vol%

N₂                           :      77.6 vol%

O₂                           :      19.9 vol%

H₂                           :        0.2 vol%

2.6.1.3     Exhaust Air from the Granulator Scrubber Exhaust Fan (C-8502) and the Cooler Scrubber Exhaust Fan (C-8506)

-     Flow rate                       :    1,191,700 kg/h

-     Temperature                   :    41 °C

-     Composition

Air                          :      92.4 vol%

H₂O                        :        7.59 vol%

Urea                        :        0.001 vol% (26 kg/h)

NH₃                        :      84 wtppm

-     Height of venting point :    approx. 42 meter from G. L.

2.6.2    Liquid Effluent

2.6.2.1     Condensate from Interstage Separators of the CO₂ Compressor (C-6001) (*1)

-     Flow rate                       :    Approx. 3 ton/h

-     Composition                  :    H₂O w/traces of dissolved CO gas

(*1)    Condensate from the Interstage Separators is sent to the Degasser (T-9001) and after degassing of CO₂ to be sent to the Polisher Unit in the Ammonia Plant.

2.6.2.2     Process Condensate from the Desorber (T-8001) bottom (export to the Polisher Unit of Ammonia Plant)

-     Flow rate                       :    40.5 t/h

-     Quality

Urea content                :    max. 1wtppm

Ammonia content        :    max. 1wtppm

Electric conductivity   :    10 - 20 micro s/cm at 25 °C

2.6.2.3     Steam Condensate from the Steam Condensate Tank (TK-8601) (export to the Polisher Unit of Ammonia Plant)

-     Flow Rate                      :    55.1 t/h

-     Quality

Conductivity          :    < 10 micro s/cm

pH                           :    7.0 - 9.5

Composition (ppm max.)

Fe                            :    0.2

Cu                           :    0.1

Chloride                  :    0.01

Silica                       :    0.3

TDS                        :    0.1

NH₄                        :    0.3

Oil                           :    none

Total hardness         :    6

2.6.2.4     Turbine Condensate from the Surface Condenser for CT-6001 (E-6004) (export to the Polisher Unit of Ammonia Plant)

-     Flow Rate                      :    52.7 t/h

-     Quality

Conductivity          :    < 10 micro s/cm

pH                           :    7.0 - 9.5

Composition (ppm max.)

Fe                            :    0.2

Cu                           :    0.1

Chloride                  :    0.01

Silica                       :    0.3

TDS                        :    0.1

NH₄                        :    0.3

Oil                           :    none

Total hardness         :    6

2.6.2.5     Condensate from Drop Separator of Air Chiller in the Granulation Plant (export to the O.S.B.L. through Waste Water Pit (Z-9501)

-     Flow Rate                      :    Approx. 3.7 t/h

-     Composition                  :    H₂O

2.6.2.6     Intermittent Liquid Effluent (export to the O.S.B.L. through Waste Water Pit (Z-9501) when flushing urea spilled from the Granulator shelter floor by water)

-     Flow Rate                      :    Max. 50 m³/h

-     Temperature                   :    Ambient

-     Composition                  :    Water dissolved with urea

-     pH                                  :    7

(*1)    Chemical tote tank are provided for pH adjustment on the Waste Water Pit (Z-9501).

3. MATERIAL BALANCE

Process flow diagrams and material balances are referred as:

-    Dwg. No. PFD-60-PR-0001-Rev. 3

-    Dwg. No. PFD-65-PR-0002-Rev. 3

-    Dwg. No. PFD-70-PR-0003-Rev. 2

-    Dwg. No. PFD-75-PR-0004-Rev. 3

-    Dwg. No. PFD-80-PR-0005-Rev. 2

-    Dwg. No. PFD-85-PR-0006-Rev. 2

-    Dwg. No. PFD-85-PR-0007-Rev. 1

-    Dwg. No. PFD-85-PR-0008-Rev. 2

-    Dwg. No. PFD-85-PR-0009-Rev. 2

-    Dwg. No. PFD-85-PR-0010-Rev. 1

-    Dwg. No. PFD-85-PR-0011-Rev. 2

-    Dwg. No. PFD-60-PR-0014-Rev. 2

-    Dwg. No. PFD-65-PR-0015-Rev. 1

-    Dwg. No. PFD-70-PR-0016-Rev. 1

-    Dwg. No. PFD-75-PR-0017-Rev. 1

-    Dwg. No. PFD-80-PR-0018-Rev. 1

-    Doc. No. 60-MHB-PR-001-Rev. 2

-    Doc. No. 60-MHB-PR-002-Rev. 2

4. STEAM AND CONDENSATE BALANCE

Steam and condensate balances are referred as:

-    Dwg. No. UFD-86-PR-0001-Rev. 3

-    Doc. No. 86-MHB-PR-003-Rev. 1

5. COOLING WATER BALANCE

Cooling water balance diagrams are referred as:

-    Dwg. No. UFD-90-PR-0002-Rev. 3

1. GENERAL

The following operating instructions have been prepared for the initial start-up and operation of the urea plant with a capacity of 3250 MTPD. Plant with pool condenser and evaporation section for integration with a Hydro Fertilizer Technology granulation section.

This manual has been compiled to assist those charged with the responsibility and supervision of the initial start-up and subsequent operation of the 3250 metric tons per day urea plant for Petrochemical Industries Development Management Company located at Bandar Assaluyeh, Iran.

Its primary objective is to provide flow descriptions and discussions of the processes involved and relating operating principles, together with suggested guideline procedures for the initial commissioning, start-up, normal shutdown and emergency shutdown of the plant.

It may also serve as a basis for the preparation of detailed operating instructions.

Such detailed instructions or plant operating manual depend on local conditions and should include instructions issued by equipment manufacturers (these are beyond Stamicarbon's scope). Under no circumstances should operations deviate from safety regulations and practices followed throughout the industry.

Operating conditions and techniques will evolve from actual operating experience and it is not possible to anticipate and present herein all potential circumstances, which may confront the operator during the commissioning, start-up, normal operation and shutdown of the unit. Consequently, this operating manual must be recognised as a guide and that conditions stipulated are not rigid standards, unless specifically noted as such.

Numerical values given in this manual are design figures indicating the ranges within which actual values may vary during normal operation and may need to be changed as a result of experience gained in the plant. Under no circumstances should these figures be regarded as guaranteed performance figures.

Special attention should be paid to housekeeping practices on the Urea Unit and the minimising of spillage/leakage of Urea from sample points etc. Regular clear-ups should be carried-out by picking-up any spillage/leakage and not by washing down.

Any and all information pertinent to the Stamicarbon proprietary process included in this Process Manual is disclosed in confidence for use in accordance with the agreement made between Chiyoda Corporation and STAMICARBON BV and should be treated accordingly.

Given the above, no claims for damages or losses in connection with this manual are accepted.

2. PRODUCT AND RAW MATERIALS

The raw materials for the preparation of urea are ammonia and carbon dioxide.

Carbon dioxide is obtained as a by-product from the ammonia plant.

Some applications of urea are: soil and leaf fertilisation, melamine production, urea-formaldehyde resins, nutrient for ruminant animals and miscellaneous other applications.

Urea product.

Urea solution at the exit of the Evaporation Section in the Urea Plant shall be about 96 wt. % urea (including biuret) solution which will be sent to the Granulation Plant for the production of Urea Granules.

The quality of the product urea solution from the plant shall be as follows:

Urea melt containing:

Urea plus Biuret                                                                    minimum    95.8 wt. %

Biuret                                                                                     maximum   0.70 wt. %

Free ammonia (indicator = methyl red)                                 maximum   650 ppm

Appearance and properties of urea (NH₂-CO-NH₂)

Urea is a white crystal, which is not inflammable, not conductive and has the following physical properties:

density (solid at 20 °C)                                                         : 1,335 kg/m³

melting point                                                                         : 132.6 °C

specific heat (melt)                                                                : 126 J/mol/°C

melting heat (melt point)                                                       : 13.6 kJ/mol

mol weight                                                                             :  60.056

                                                                                                        NH₂

structural formula                                                                  : C =  O

                                                                                                        NH₂

Appearance and properties of ammonia (NH₃)

Ammonia is under pressure, a liquified gas, which is recognizable at the smell.

Ammonia gas is lighter than air, and can be explosive and inflammable under certain circumstances.

Ammonia is soluble in water in an exothermic reaction.

Ammonia has the following physical properties:

density (liquid, 20 kg/cm², 25 °C)                                         : 603 kg/m³

melting point                                                                         : -78 °C

boiling point                                                                          : -33 °C

ignition temperature                                                              : 630 °C

lower explosion limit (in air)                                                  : 15 vol. % NH₃

upper explosion limit (in air)                                                  : 29 vol. % NH₃

mol. weight                                                                            : 17.03

                                                                                                               H

structural formula                                                                  : N            H

                                                                                                               H

Appearance and properties of carbon dioxide (CO₂).

Carbon dioxide is a colourless, odourless gas, which is not explosive and not inflamma­ble.

Carbon dioxide is heavier than air and has the following physical properties:

density (gas, 1 kg/cm², 25 °C)                                               : 1.8 kg/m³

triple point                                                                             : -57 °C and 5.1 atm.

critical point                                                                           : 31 °C and 72.8 atm.

mol. weight                                                                            : 44.01

                                                                                                               O

Structural formula                                                                   : C

                                                                                                               O

3. CONCISE PROCESS DESCRIPTION

Urea is produced by reacting liquid ammonia and gaseous carbon dioxide at about 170 ‑ 185 °C and 135 ‑ 145 barA according to the following reactions:

                        2 NH₃ + CO₂              <=====>        NH₂COONH₄                 (1)

                        NH₂COONH₄            <=====>        NH₂CONH₂ + H₂O        (2)

In the first reaction, carbon dioxide and ammonia are converted into ammonium carbamate. This reaction is fast and exothermic. In the second reaction, which is slow and endothermic, the ammonium carbamate dehydrates to produce urea and water.

3.1 Ammonia and Carbon dioxide compression

Liquid ammonia is supplied from the ammonia plant to the high pressure ammonia pump and compressed to about 171 barA. The pump discharges ammonia into the high pressure pool condenser via the high pressure ammonia ejector, where ammonia is the driving force for carbamate flowing over from the high pressure scrubber.

Carbon dioxide from the ammonia plant is supplied, together with a small amount of air, to the carbon dioxide compressor before it is compressed to about 150 barA.

A hydrogen converter is integrated in the carbon dioxide compressor. In this converter the hydrogen, present in the carbon dioxide, is removed by catalytic combustion. A portion of the supplied air is used for this catalytic combustion while the remainder is being used to passivate the equipment of the synthesis section and so prevent corrosion. The dehydrogenated carbon dioxide is introduced into the bottom part of the high pressure stripper.

The two feed stocks, ammonia and carbon dioxide, are fed to the synthesis section at a molar ratio of 2:1.

3.2 Synthesis

Ammonia with carbamate from the high pressure scrubber and carbon dioxide with off gas from the high pressure stripper is introduced into the high pressure pool condenser, which is a liquid submerged tube heat exchanger. The greater part of the gas will condense and convert with ammonia into carbamate.

The dehydration of ammonium carbamate into urea and water takes place in the pool condenser and subsequently in the urea reactor. The urea reactor effluent is distributed over the tubes of the high pressure stripper, which is a falling film type shell and tube heat exchanger. Here, the reactor effluent is contacted counter currently with carbon dioxide, causing the partial ammonia pressure to decrease and the carbamate to decompose. The heat, required for this purpose, is supplied by passing saturated middle pressure steam around the tubes of the high pressure stripper. This steam pressure is controlled by a pressure control valve so that the liquid, leaving the high pressure stripper, contains about 8.6 % by weight of ammonia.

The urea solution from the high pressure stripper, flows to the low pressure recirculation section whilst the high pressure stripper off gases are sent to the pool condenser which is a special design U-tube type heat exchanger. In the pool condenser condensation of strip gases takes place through the principle of pool condensation, i.e. the gases are dispersed into a pool of liquid, where the heat of condensation is being dissipated by submerged heat exchanger tubes. This heat of condensation is used to generate low pressure steam of 4.5 barA. This steam is used for heating and desorption as well as for the vacuum ejector.

The steam pressure at the tube side of the high pressure pool condenser is controlled by a pressure control valve in the steam discharge line of the LP steam drums. A change in this pressure will change the steam condensate temperature and hence the temperature difference between the shell side and the tube side. The steam drum pressure is set to such a value that the synthesis pressure is about 145 barA.

The pool of liquid in the pool condenser allows for a considerable amount of urea formation to take place here. The formed urea, non converted carbamate, excess ammonia and some non condensed ammonia and carbon dioxide are subsequently introduced into the bottom of the urea reactor where further conversion of carbamate into urea takes place. The urea reactor volume allows sufficient residence time for the reaction to approach equilibrium. The heat, required for the conversion and for heating the solution in the urea reactor, is supplied by additional condensation of ammonia and carbon dioxide.

The urea reactor contains five (5) high efficiency trays to ensure that the flow of liquid through the reactor approaches piston flow. Moreover the trays are designed such that negative effects (such as back-mixing, by-passing and stagnant zones in the reactor) are avoided.

The reactor effluent goes through the down comer to the high pressure stripper. The inert, introduced with the carbon dioxide and part of the unreacted ammonia and carbon dioxide, goes overhead to the high pressure scrubber which contains a shell and tube heat exchanger in the lower part and a packed bed in the upper part.

In the lower part of the high pressure scrubber the bulk of the ammonia and carbon dioxide are condensed, the heat of condensation being dissipated into tempered cooling water. In the upper part the gases, leaving the bottom section, are contacted counter currently with the carbamate solution which is formed in the low pressure recirculation section. The gases, substantially consisting of nitrogen and oxygen and containing only small amounts of ammonia and carbon dioxide, are vented to the granulation stack via an MP absorber operating at 7.8 barA.

The carbamate solution from the high pressure scrubber flows to the high pressure ammonia ejector. The ammonia feed pressure is such as to induce sufficient head in the high pressure ammonia ejector to convey the carbamate solution from the high pressure scrubber to the high pressure pool condenser.

3.3 Low pressure recirculation section

In this section essentially all of the small amounts of non converted ammonia and carbon dioxide are recovered from the urea / carbamate solution, leaving the bottom of the high pressure stripper. This solution is expanded to about 4 barA. As a result a portion of the carbamate, left in the solution, decomposes and evaporates. The remaining liquid is divided onto a bed of Pall rings in the rectifying column. The urea/ carbamate solution is sent from the bottom of the rectifying column to the recirculation heater where its temperature is raised to about 135 °C in order to decompose the remaining carbamate. The heat required is supplied by low pressure steam. In the separator (i.e. the bottom part of the rectifying column) the gas phase is separated from the liquid phase. The gases are sent to the rectifying column where they are cooled by the colder urea/ carbamate solution. This causes a portion of the water vapour contained in the gases to condense.

The gases leaving the rectifying column are introduced into the bottom part of the low pressure carbamate condenser where they are condensed almost completely. The heat of condensation is dissipated into tempered cooling water. Process condensate is also supplied to the low pressure carbamate condenser together with the condensed overhead vapours from the first desorber in order to control the water concentration in the carbamate solution.

The optimum ammonia / carbon dioxide ratio allows the water concentration to be as low as 31 % by weight. The pressure in the low pressure carbamate condenser is controlled at about 3.3 barA.

From the level tank of the low pressure carbamate condenser, the carbamate solution flows to the high pressure carbamate pump where its pressure is raised to about 154 barA and from where the carbamate solution is carried to the high pressure scrubber.

The urea solution, leaving the bottom of the rectifying column, flows to the flash separator via a level control valve. Due to the adiabatic flash to about atmospheric pressure, a portion of the water evaporates and some ammonia, carbon dioxide and inert are liberated. These vapours are partly condensed in the flash separator condenser and the remaining ammonia and carbon dioxide are scrubbed from the inert in the LP absorber by means of circulating process condensate and steam condensate. Condensate from the flash separator condenser is recycled to the reflux condenser.

3.4 Pre‑evaporation and evaporation

The solution from the flash separator is sent to the preevaporator.

A portion of the water in the solution is evaporated so as to increase the urea concentration from about 70 to 78 % by weight. The heat of evaporation is taken from the low pressure steam system. The recycled urea solution from the granulation section is introduced into the pre-evaporation feed line. Finally, the urea solution is sent to the urea solution tank.

The urea solution is pumped from the urea solution tank to the evaporator, where it is concentrated to about 96 % by weight. In the separator for the evaporator, the outlet from the evaporator is separated into a gas phase and a liquid phase. The vapour, leaving this separator, is condensed in the evaporator condenser together with the vapours from the vacuum flash separator. The urea solution from the separator for the evaporator flows to the suction side of the urea melt pump and is sent to the granulation section after mixing with urea formaldehyde solution. The condensate, leaving the evaporator condenser is sent to the ammonia water tank via a barometric leg.

3.5 Process condensate treatment

Process condensate from the evaporator condenser, containing ammonia, carbon dioxide and urea, is collected in the ammonia water tank and used as absorbent in the MP absorber and the LP absorber. Next the process condensate is pumped from the ammonia water tank to the first desorber via a desorber heat exchanger.

In the first desorber the bulk of the ammonia and carbon dioxide is stripped off by means of the overhead vapours of the second desorber and hydrolyser. The bottom effluent of this first desorber is pumped via a hydrolyser heat exchanger, where this condensate is heated from approximately 140 °C to 197 °C, to the top of the hydrolyser column. In the hydrolyser, the urea is decomposed into ammonia and carbon dioxide while being heated by means of live medium pressure steam, to about 195 °C. To obtain very small urea concentrations in the hydrolyser effluent (< 1 ppm wt), the process condensate is counter currently contacted with the live steam.

On leaving the hydrolyser the process condensate, containing traces of urea, goes via the hydrolyser heat exchanger to the second desorber. The overhead vapours of the hydrolyser being sent to the first desorber. After cooling the hydrolyser effluent in the hydrolyser heat exchanger to about 148 °C, this condensate is fed to the top of the second desorber. Here, the remaining ammonia and carbon dioxide is stripped off by means of live low pressure steam. The process condensate, leaving the second desorber, is cooled in the desorber heat exchanger and subsequently in the waste water cooler. It contains very small amounts of urea and ammonia (< 1 ppm wt ammonia and 1 ppm wt urea) and to be sent to the polisher unit in the ammonia plant for re-use. The overhead gases from the first desorber are condensed in the reflux condenser and are transferred as a carbamate solution to the low pressure carbamate condenser. The non condensed vapours are sent to the LP absorber.

4. BLOCK DIAGRAM UREA PROCESS