در دنیای صنعت، فرایندهای جداسازی و خالص سازی مواد اهمیت ویژه ای دارند و یکی از ابزارهای کلیدی در این زمینه، برج های تقطیر هستند. این تجهیزات در بخش های مختلفی از صنعت به کار گرفته می شوند و نقشی اساسی در تولید، پالایش و تصفیه مواد دارند. در این مطلب، نگاهی به کاربردهای متنوع این سیستم در صنایع مختلف خواهیم داشت.
برج تقطیر یک دستگاه صنعتی برای جداسازی مخلوط های مایع بر اساس اختلاف نقطه جوش اجزای آن هاست. این برج از ستون های عمودی تشکیل شده که درون آن سینی ها یا پکینگ هایی قرار دارند تا فرآیند تبخیر و میعان بهینه تر انجام شود.
عملکرد برج تقطیر بر اساس تغییر فاز مکرر مایعات به بخار و بالعکس است. در این فرآیند، مخلوط مایع در پایین برج حرارت داده می شود تا اجزای آن بر اساس دمای جوش خود تبخیر شوند. بخارهای تولید شده در طول برج حرکت کرده و در ارتفاعات مختلف، بسته به نقطه جوش هر جزء، مجدداً به مایع تبدیل می شوند. این جداسازی تدریجی باعث تولید محصولاتی با درجه خلوص بالا می شود.
برج های تقطیر بسته به شرایط عملیاتی و نوع جداسازی، در انواع مختلفی طراحی و استفاده می شوند. مهم ترین انواع برج تقطیر به شرح زیر هستند.
1. برج تقطیر ساده (معمولی)
این نوع برج برای جداسازی مخلوط هایی با اختلاف زیاد در نقطه جوش اجزا به کار می رود. در این روش، مایع گرم شده و بخار آن مستقیماً در یک کندانسور خنک و به مایع تبدیل می شود. این نوع برج بیشتر در مقیاس آزمایشگاهی و صنایع کوچک کاربرد دارد.
2. برج تقطیر جزء به جزء
در این برج، جداسازی ترکیبات بر اساس نقطه جوش در چندین مرحله انجام می شود. سینی ها یا سطوح تبادل حرارتی داخلی، فرآیند تبخیر و میعان را بهینه می‌کنند. این روش در پالایش نفت خام و تولید حلال های شیمیایی کاربرد دارد.
3. برج تقطیر با سینی (سینی دار)
در این نوع برج، سینی هایی در فواصل مشخص قرار دارند که تبادل گرما و جرم را بین مایع و بخار بهبود می بخشند. ترکیباتی که نقطه جوش بالاتری دارند روی سینی ها متراکم شده و مایعات با نقطه جوش پایین تر به سمت بالا حرکت می‌کنند. این روش برای تولید مواد شیمیایی و جداسازی نفت خام استفاده می شود.
4. برج تقطیر با بستری پرشده (Packed Column)
به جای سینی، این برج دارای بستری از مواد متخلخل مانند حلقه های سرامیکی یا فلزی است که باعث افزایش سطح تماس بین بخار و مایع می شود. این نوع برج برای فرآیندهایی با نرخ جریان کم یا در فشارهای پایین مناسب است.
5. برج تقطیر خلأ
در این سیستم، فشار داخل برج کاهش یافته تا دمای جوش ترکیبات پایین بیاید. این روش برای جداسازی مواد حساس به حرارت، مانند برخی از مشتقات نفتی و محصولات دارویی، به کار می رود.
6. برج تقطیر آزئوتروپی
این برج برای جداسازی مخلوط هایی که دارای نقطه جوش نزدیک یا آزئوتروپ (مخلوطی با ترکیب ثابت در حالت جوش) هستند، طراحی شده است. با استفاده از یک ماده اضافی (عامل جداسازی)، تعادل نقطه جوش شکسته و اجزا از هم جدا می شوند.
7. برج تقطیر استخراجی
مشابه برج آزئوتروپی، اما بدون تشکیل آزئوتروپ. در این روش، یک حلال مخصوص اضافه می شود که میزان جداسازی را افزایش داده و امکان تفکیک ترکیباتی با نقطه جوش مشابه را فراهم می‌کند. هر یک از این برج ها بسته به ویژگی های فیزیکی و شیمیایی ترکیبات، نوع فرآیند و نیازهای صنعتی، کاربردهای خاص خود را دارند.
در ادامه، مهم ترین کاربردهای برج تقطیر را بررسی می‌کنیم.
1. پالایش نفت خام
یکی از مهم ترین کاربردهای برج تقطیر، پالایش نفت خام در پالایشگاه ها است. نفت خام شامل ترکیبات مختلفی مانند گازهای سبک، بنزین، نفت سفید، گازوئیل و قیر است که هرکدام نقطه جوش متفاوتی دارند. در این فرایند، نفت خام در یک برج تقطیر جزء به جزء تحت حرارت قرار گرفته و ترکیبات آن در ارتفاعات مختلف برج جدا می شوند. این عملیات، پایه ای برای تولید سوخت ها و مواد اولیه پتروشیمی محسوب می شود.
2. تولید الکل و حلال های شیمیایی
در صنایع شیمیایی و دارویی، برج تقطیر برای جداسازی الکل ها، حلال ها و سایر مواد آلی به کار می رود. برای مثال، در تولید اتانول، برج تقطیر با کمک فرایند جزء به جزء، الکل را از مخلوط تخمیر جدا کرده و خلوص آن را افزایش می دهد.
3. تولید گازهای صنعتی (اکسیژن، نیتروژن و آرگون)
در صنایع تولید گاز، برج تقطیر برای جداسازی هوا به اجزای اصلی آن یعنی اکسیژن، نیتروژن و آرگون استفاده می شود. این فرایند که به عنوان تقطیر سرمایشی شناخته می شود، هوای مایع شده را به تدریج تبخیر کرده و گازهای مختلف را در دماهای متفاوت جدا می‌کند. این گازها در پزشکی، صنایع فلزی، جوشکاری و بسیاری از زمینه های دیگر کاربرد دارند.
4. صنایع داروسازی
در صنعت داروسازی، تقطیر برای خالص سازی مواد موثره دارویی و استخراج ترکیبات خاص از گیاهان استفاده می شود. بسیاری از مواد دارویی حساس به دما هستند، بنابراین برج های تقطیر خلأ در این صنعت کاربرد زیادی دارند، زیرا با کاهش فشار، دمای جوش کاهش یافته و از تخریب مواد جلوگیری می شود.
5. تصفیه آب و تولید آب مقطر
یکی از کاربردهای مهم برج تقطیر، تولید آب مقطر و تصفیه آب های صنعتی است. در این روش، آب ناخالص حرارت داده شده، بخار آن جمع آوری و میعان می شود تا املاح و آلاینده ها از آن جدا شوند. این فرایند در آزمایشگاه ها، بیمارستان ها و صنایع حساس به کیفیت آب، مانند تولید نیمه هادی ها، اهمیت بالایی دارد.
6. صنایع غذایی و عطرسازی
در صنایع غذایی، برج های تقطیر برای استخراج و خالص سازی اسانس ها و عطرها مورد استفاده قرار می‌گیرند. همچنین، این فرایند در تولید روغن های ضروری برای صنایع آرایشی و بهداشتی نیز کاربرد دارد.
7. بازیافت حلال ها و مواد شیمیایی
در صنایع شیمیایی، بسیاری از مواد مانند حلال ها پس از استفاده، قابل بازیافت و استفاده مجدد هستند. برج تقطیر با جداسازی و خالص سازی این ترکیبات، هزینه ها را کاهش داده و اثرات زیست محیطی را کم می‌کند. برای مثال، در صنایع رنگ و پلاستیک، حلال های استفاده شده از طریق تقطیر بازیافت می شوند.
8. صنایع پتروشیمی
برج های تقطیر در صنایع پتروشیمی برای تولید مواد اولیه مانند اتیلن، پروپیلن، بوتادین و سایر ترکیبات هیدروکربنی مورد استفاده قرار می‌گیرند. این مواد پایه تولید پلاستیک ها، لاستیک های مصنوعی، شوینده ها و بسیاری از محصولات دیگر هستند.