التقطير تُعد الأعمدة من أكثر وحدات الفصل استخدامًا في المصانع الكيميائية. ومع أن معظم المتخصصين في العمليات الكيميائية على دراية بكيفية عملها الأساسية، إلا أن تشخيص الحالات الشاذة — مثل الفيضان، وتراكم السوائل، والانجراف الشديد، والحمل الزائد الهيدروليكي — قد يظل أمرًا صعبًا.
قد يتأخر المشغلون الذين لا يدركون التغيرات المقابلة في الضغط ودرجة الحرارة والتدفق ومستوى السائل في الاستجابة، أو قد يقومون بتعديلات تؤدي إلى تفاقم المشكلة. ولذلك، فإن فهم الآليات وعلامات التحذير والإجراءات التصحيحية المناسبة أمر ضروري لضمان استقرار التشغيل.
غمر الأعمدة
ما هو الفيضان؟
يحدث الفيضان عندما يتراكم السائل داخل عمود التقطير بسرعة تفوق قدرته على التدفق نزولاً عبر الصواني أو الأنابيب الهابطة أو الحشو.
في أعمدة الصواني، يرتبط الغمر عادةً بآليتين:
- تدفق المياه عبر أنبوب الهبوط: يتراكم السائل والرغوة في أنبوب الهبوط وقد يصلان إلى الصينية الموجودة أعلاه.
- الفيضانات الناتجة عن الانجراف: تؤدي السرعة المفرطة للبخار إلى نقل كميات كبيرة من قطرات السائل إلى الأعلى، إلى الصينية التالية.
تُسمى حالة التشغيل التي يبدأ عندها التدفق الزائد بـ نقطة الفيضان. وقد صُممت أعمدة التقطير لتعمل دون هذا الحد مع توفير هامش أمان هيدروليكي مناسب.
مع اقتراب العمود من حالة الفيضان، يرتفع انخفاض الضغط فيه بشكل عام بشكل حاد، بينما تنخفض كفاءة نقل الكتلة. وإذا استمرت هذه الحالة، فإن التلامس الطبيعي بين البخار والسائل يتعطل، وقد يصبح التشغيل المستقر للعمود مستحيلاً.
تدفق المياه عبر الأنابيب الهابطة
يواجه البخار الصاعد مقاومة أثناء مروره عبر كل صينية. ولذلك، يكون الضغط أسفل الصينية أعلى من الضغط فوقها.
لا يمكن للسائل أن يتدفق لأسفل عبر أنبوب التصريف إلا عندما يكون ارتفاع السائل الكافي كافياً للتغلب على:
- فرق الضغط عبر الصينية
- الخسائر الناتجة عن الاحتكاك في الأنبوب الهابط
- المقاومة عند مخرج الأنبوب الهابط
- ارتفاع السائل فوق حاجز التصريف
إذا ظل تدفق السائل ثابتًا بينما يزداد تدفق البخار، فإن انخفاض الضغط في الصينية يزداد أيضًا. وعندئذٍ يصبح من الضروري وجود ارتفاع سائل أكبر في أنبوب التصريف، مما يؤدي إلى ارتفاع مستوى السائل.
إذا زاد تدفق البخار بشكل مفرط، فقد يتدفق السائل والرغوة عائدين إلى الصينية الموجودة أعلاه. عندئذٍ يتعطل التصريف نحو الأسفل، ويبدأ السائل في التراكم على الصواني، ويغمر الماء العمود في النهاية.
كما يمكن أن يحدث فيضان في أنبوب التصريف عندما يظل تدفق البخار ثابتًا بينما يزداد تدفق السائل. فكلما زاد حجم السائل، زادت المقاومة عبر أنبوب التصريف وارتفع منسوب السائل فوق حاجز المخرج.
الفيضانات الناتجة عن الانجراف
عند ارتفاع سرعة البخار، تنقل قطرات السائل مع البخار إلى الأعلى نحو الصينية الموجودة فوقها.
ويؤدي هذا السائل المحمول إلى زيادة الحمل السائل على الصينية العلوية. ومن ثم، تنتج طبقة الرغوة الأعمق مزيدًا من الحمل، مما يقلل بشكل أكبر من الفراغ الفاصل بين سطح الرغوة والصينية الموجودة فوقها.
مع تطور هذه العملية التي تعزز نفسها بنفسها:
- تزايد انتقال القطرات
- قد تتناثر القطرات الكبيرة مباشرةً على الدرج العلوي
- قد يصل الرغوة إلى الصينية الموجودة أعلاه
- انخفاض كفاءة الصواني
- يزداد انخفاض الضغط في العمود
- قد يغمر الماء العمود في نهاية المطاف
يُعد الانجراف المفرط أحد أكثر الآليات شيوعًا التي تؤدي إلى غمر الصينية والأعمدة.
العلامات النموذجية للفيضانات
تشمل مؤشرات التشغيل الشائعة ما يلي:
- تزايد الفرق في الضغط بين قاع العمود والجزء العلوي منه
- تناقص الفرق في درجة الحرارة بين الجزء العلوي والجزء السفلي من العمود
- انخفاض مستوى السائل في أسطوانة الارتجاع
- انخفاض تدفق المنتج في الجزء السفلي
- تدهور جودة المنتج في كل من الطبقة العلوية والطبقة السفلية
- تقلبات درجات حرارة الدرج والضغط
- سلوك غير طبيعي لمستوى السائل
- زيادة حمل جهاز إعادة التسخين دون تحقيق التحسن المتوقع في عملية الفصل
لا توجد أعراض محددة تثبت حدوث فيضان. يجب أن يستند التشخيص إلى عدة اتجاهات تشغيلية مترابطة، وأن تتم مقارنتها، حيثما أمكن، بحدود التصميم الهيدروليكي للعمود.
الإجراءات التصحيحية
اعتمادًا على السبب، قد تشمل الإجراءات المناسبة ما يلي:
- تقليل حمل جهاز إعادة التسخين وتدفق البخار الصاعد
- تقليل معدل الارتجاع
- تقليل معدل التغذية
- التحقق من حالة ومسافة الخلوص لمنافذ الأنابيب الهابطة
- التأكد من أن أسطح الصواني، والسدود، وأنابيب التصريف غير تالفة أو مسدودة
- التحقق من وجود رغوة أو تلوث أو تكوين بوليمرات أو ترسب مواد صلبة
- التحقق من دقة أجهزة قياس الضغط والتدفق ودرجة الحرارة والمستوى
يجب على المشغلين إجراء تعديلات مدروسة ومراقبة الاستجابة. فقد يؤدي التغيير المفاجئ لعدة متغيرات في آن واحد إلى زيادة صعوبة تحديد السبب الأساسي.
تراكم شديد للسائل وغمر الأعمدة
في المصطلحات التشغيلية الصينية،, يانتا يُستخدم هذا المصطلح أحيانًا لوصف التراكم الشديد للسائل أو الفيضان في جزء من العمود. وفي الممارسة الهندسية الدولية، يُنظر إلى هذه الحالة عمومًا على أنها شكل متقدم من أشكال الفيضان أو ارتداد السائل في أنبوب التصريف، وليس كظاهرة هيدروليكية منفصلة تمامًا.
يتراكم السائل تدريجيًا فوق صينية معينة ويملأ جزءًا من مقطع العمود. ويصبح تدفق البخار الصاعد مقيدًا، ولا يمكن بعد ذلك الحفاظ على الانتقال الطبيعي للحرارة والكتلة بين الطورين البخاري والسائل.
علامات التشغيل النموذجية
تشمل المؤشرات المحتملة ما يلي:
- انخفاض درجة الحرارة المحيطة
- انخفاض مستوى السائل في خزان الارتجاع
- ارتفاع مستوى السائل في القاع
- ارتفاع الضغط في قاع العمود
- زيادة الضغط التفاضلي في العمود
- جودة المنتج الضعيفة من حيث الجزء العلوي والجزء السفلي
يعتمد الاستجابة الدقيقة على العملية، واستراتيجية التحكم، وترتيب المكثف، وتركيبة المادة المُغذية، وموقع العائق الهيدروليكي.
الأسباب الشائعة
مواسير تصريف مسدودة
قد تتعرض الأنابيب الهابطة للعرقلة بسبب:
- شظايا معدنية أو بقايا خبث اللحام المتبقية من أعمال البناء
- مخلفات التآكل
- المواد الصلبة المتبلورة
- رواسب البوليمرات
- الكوك أو المواد الملوثة
- المكونات الداخلية التالفة أو المنزوعة من مكانها
يمنع انسداد أنبوب التصريف السائل المرتد من التصريف بشكل طبيعي، وقد يؤدي بسرعة إلى تراكم السائل فوق الصينية المتأثرة.
الحمل المفرط من السوائل
قد يؤدي معدل التغذية أو الارتجاع المفرط إلى تجاوز سعة الأنابيب الهابطة حتى لو كانت سليمة من الناحية الميكانيكية.
تؤدي زيادة كمية السائل إلى ارتفاع مستوى السائل فوق حاجز التصريف وزيادة المقاومة التي يواجهها التدفق النزولي، مما يؤدي في النهاية إلى تراكم السائل على الصواني.
الإجراءات التصحيحية
تشمل الإجراءات المحتملة ما يلي:
- تقليل معدل التغذية
- تقليل معدل الارتجاع
- تقليل حمل جهاز إعادة التسخين في حالة زيادة حمل البخار أيضًا
- التحقق مما إذا كانت الحالة الشاذة محددة في مكان معين أم تمتد على مستوى العمود بأكمله
- إيقاف تشغيل العمود لإجراء فحص في حالة الاشتباه في وجود انسداد داخلي أو عطل ميكانيكي
عندما يكون السبب هو وجود عائق مادي أو تلف داخلي، قد لا تؤدي التعديلات التشغيلية إلا إلى حل مؤقت. لذا يجب فحص المعدات وإصلاحها.
حمل هيدروليكي زائد شديد وفقدان التجزئة
المصطلح الصيني تشونغتا وغالبًا ما يُستخدم في حالات الاضطراب الشديد في العمود الذي ينطوي على أحمال مفرطة من البخار والسائل، أو حدوث انجراف مفاجئ، أو انتقال السائل، أو فقدان كبير في التجزئة.
عندما تكون أحمال البخار والسائل مرتفعة للغاية، يزداد انخفاض الضغط في الصواني ويرتفع مستوى السائل في أنابيب التصريف. وفي الوقت نفسه، تؤدي زيادة تدفق السائل إلى ارتفاع مستوى السائل فوق حواجز المخرج.
إذا امتلأت الأنابيب الهابطة تمامًا، فقد تتصل الصواني المجاورة هيدروليكيًا بسبب تراكم السائل. وعندئذٍ يتعطل التجزئة التدريجي العادي بشكل خطير.
الأسباب الشائعة
قد تسهم أي حالة تؤدي إلى تدفق مفرط للبخار أو السوائل في حدوث ذلك، ومن بينها:
- معدل التغذية المفرط
- تركيبة علف تحتوي على مكونات خفيفة أكثر مما كان متوقعًا
- الماء الذي يدخل في تغذية الهيدروكربونات
- البخار المفرط المستخدم في إزالة الطبقة السفلية
- الحمل الزائد على جهاز إعادة التسخين
- ارتفاع درجة حرارة التغذية بشكل مفرط
- توقف الارتجاع تلاه استئناف مفاجئ
- توزيع الارتجاع ضعيف أو غير متساوٍ
- توليد البخار المفاجئ
- عدم استقرار التحكم في الضغط
- تكوّن الرغوة أو انبعاث الغازات بسرعة
علامات التشغيل النموذجية
تشمل الأعراض المحتملة ما يلي:
- ارتفاع درجة الحرارة المحيطة
- ارتفاع الضغط العلوي
- ارتفاع درجات حرارة السحب الجانبي
- ارتفاع درجة حرارة الارتجاع
- التغيرات المفاجئة في مستوى السائل في القاع
- فقدان فصل المنتج
- المخرجات الجانبية غير المطابقة للمواصفات
- تغير لون منتجات التقطير أو تلوثها
- تقلبات كبيرة وسريعة في الضغط التفاضلي للعمود
تعتمد هذه المؤشرات على العمود المعني. وقد يشير الانخفاض السريع في مستوى القاع إلى أن السائل قد تم إزاحته إلى الأعلى، ولكن يجب دائمًا تفسير سلوك المستوى بالاقتران مع قياسات التدفق والتحقق من صحة الأجهزة.
المبادئ التصحيحية
الهدف الرئيسي هو تقليل أحمال البخار والسوائل:
- تقليل تدفق الارتجاع عندما يكون مفرطًا
- تقليل حمل جهاز إعادة التسخين أو البخار السفلي
- تقليل معدل التغذية
- تحقيق الاستقرار في تركيبة العلف ودرجة حرارته
- استعادة التوزيع المتساوي للارتجاع
- إصلاح مشاكل التحكم في الضغط أو مشاكل المكثف
في الحالات الشديدة، قد يكون من الضروري:
- إيقاف البث
- إيقاف التسخين السفلي أو تقليله بشكل كبير
- السماح بانخفاض درجات حرارة الصواني والضغط التفاضلي
- استعادة الدورة الدموية تدريجيًّا
- إعادة تشغيل التغذية ومد الحرارة في ظل ظروف خاضعة للرقابة
يجب أن تحظى إجراءات التشغيل المعتمدة للمصنع، وأنظمة الترابط، ومتطلبات سلامة العمليات بالأولوية أثناء الاستجابة لأي اضطراب في التشغيل.
تشخيص حالات الفيضانات استنادًا إلى بيانات التشغيل
قد تظهر على عمود التثبيت الذي يعاني من مشاكل هيدروليكية المؤشرات التالية:
- يتدهور الفصل وتنخفض درجة نقاء القاع.
- يقوم المشغلون بزيادة البخار المستخدم في التدفئة، لكن درجة حرارة الصينية الحساسة تظل أقل من المستوى المستهدف العادي.
- مع بقاء الضغط العلوي دون تغيير، فإن زيادة الارتجاع لا تعيد درجة الحرارة المتوقعة في الدرج العلوي إلى مستواها المطلوب.
- يصبح الفرق في درجة الحرارة بين الصينية السفلية الحساسة والصينية العلوية أقل بشكل ملحوظ.
- تزداد المكونات الخفيفة في الجزء السفلي، بينما تزداد المكونات الثقيلة في الجزء العلوي.
- يرتفع الفرق في الضغط في العمود بينما يظل المستوى السفلي قابلاً للتحكم.
قد تشير هذه الملاحظات مجتمعةً إلى حدوث فيضانات شديدة، وليس إلى عدم كفاية سعة جهاز إعادة التسخين أو عدم كفاية الارتجاع.
إذا كانت الحالة تنطوي على اضطراب هيدروليكي مفاجئ وشديد، فقد يتغير مستوى القاع بسرعة. ومع ذلك، فإن مصطلحات مثل «الفيضان» و«الغمور» و تشونغتا لا يتم استخدامها دائمًا بشكل متسق بين المصانع. ولذلك، ينبغي أن يعتمد التشخيص على الآليات المادية وبيانات التشغيل بدلاً من الاعتماد على الملصقات وحدها.
كيف يمكن أن تؤدي الاستجابات الخاطئة من جانب الجهات المعنية إلى تفاقم الفيضانات
بالنسبة للعمود الذي تم تصميمه بشكل سليم وكان يعمل بشكل طبيعي في السابق، ينبغي أولاً تقييم المشكلات الهيدروليكية في ضوء التغييرات التشغيلية الأخيرة، شريطة ألا يكون قد طرأ تغيير جوهري على تركيبة المواد المُدخلة أو حالة المعدات.
ومن التسلسلات الشائعة ما يلي:
- تنخفض درجة حرارة الدرج الحساس.
- يقوم المشغل بزيادة كمية البخار السفلي أو حمولة جهاز إعادة التسخين.
- ترتفع درجة الحرارة في الأعلى.
- يقوم المشغل بزيادة الارتجاع.
- تستمر كل من أحمال البخار والكميات السائلة الداخلية في الزيادة.
- يتجاوز العمود سعته الهيدروليكية فيحدث فيضان.
قد يبدو كل تعديل على حدة معقولاً عند النظر إليه بمفرده. لكن عند جمعها معاً، فإنها قد تدفع العمود إلى ما هو أبعد من نطاق التشغيل التصميمي المحدد له.
في إحدى حالات أعمدة التثبيت، كان كل من تدفق الارتداد وبخار التسخين في القاع أعلى بكثير من قيمهما الطبيعية. وحتى بعد خفض التدفقات، لم تتمكن العمود من العودة إلى حالة التوازن بعد مرور 16 ساعة.
وقامت المحطة في النهاية بوقف التغذية، وإيقاف البخار المستخدم في التسخين، وتركت العمود يبرد. ثم أُعيد تشغيل النظام وعاد إلى العمل بشكل طبيعي.
ويوضح هذا مبدأً مهمًا: فمتى تعرض أحد الأعمدة لفيضان شديد، فإن مجرد إعادة نقاط ضبط التحكم إلى قيمها السابقة قد لا تؤدي إلى استعادة الظروف الهيدروليكية الطبيعية على الفور. وقد يتطلب الأمر إعادة ضبط أو إعادة تشغيل محكومة.
لماذا يحتاج عمود التقطير إلى نظام الارتجاع؟
تدفق عملية التقطير المستمر.
الارتجاع هو شرط أساسي لعملية التصحيح.
يُعاد جزء من البخار المكثف الموجود في الجزء العلوي إلى العمود، حيث يتدفق نحو الأسفل ويتلامس مع البخار الصاعد. ومن خلال عمليات التبخير والتكثيف المتكررة، تتركز المكونات الخفيفة نحو الأعلى بينما تتركز المكونات الثقيلة نحو الأسفل.
تتمثل الوظائف الرئيسية للارتجاع في:
- توفير سائل متدفق تنازليًا لنقل الكتلة بين البخار والسائل
- إزالة جزء من الحرارة التي تنتقل صعودًا عبر العمود
- الحفاظ على توازن الحرارة والمواد الداخلي
- تكثيف المكونات الأثقل من البخار المتصاعد
- تعزيز تبخر المكونات الأخف وزنًا من السائل المتدفق لأسفل
- تحسين نقاء المنتج وفصله في الأجزاء العلوية
يُعد الارتجاع أمرًا ضروريًّا، لكن زيادة معدل الارتجاع لا تعني دائمًا أنه أفضل. فالارتجاع المفرط يزيد من حركة التدفق الداخلية وقد يتسبب في الانجراف، وانخفاض كبير في الضغط، والتدفق الزائد، واستهلاك غير ضروري للطاقة.
يوفر جهاز الارتجاع السائل النازل اللازم لعملية التقطير.
الارتجاع الطبيعي والارتجاع الناتج عن الضخ
يمكن تصنيف ترتيبات الارتجاع وفقًا للطريقة التي يتم بها إعادة السائل إلى العمود.
الارتجاع الطبيعي
في حالة الارتجاع الطبيعي، يتم تركيب المكثف أو وعاء الارتجاع فوق مدخل الارتجاع. ويعود السائل المكثف إلى العمود بفعل الجاذبية.
يتميز الارتجاع الطبيعي بعدة مزايا:
- ترتيب تدفق بسيط
- لا توجد مضخة ارتجاعية
- انخفاض استهلاك الكهرباء
- متطلبات صيانة أقل للمعدات الدوارة
وتشمل أوجه قصورها ما يلي:
- قد يختلف تدفق الارتجاع باختلاف ضغط العمود والارتفاع الساكن المتاح
- قد يكون من الصعب التحكم في نسبة الارتجاع بدقة
- قد تكون الاستجابة لاضطرابات العملية أبطأ
- قد تؤدي متطلبات ارتفاع المعدات إلى زيادة تكلفة الهيكل
غالبًا ما يُنظر إلى الارتجاع الطبيعي على أنه خيار مناسب للوحدات أو الخدمات الصغيرة نسبيًا، حيث يُعتبر نطاق التشغيل الواسع للارتجاع أمرًا مقبولًا.
الارتجاع الناتج عن الضخ
في حالة الارتجاع بالضخ أو الارتجاع القسري، يدخل المكثف إلى خزان الارتجاع ثم يُعاد إلى العمود بواسطة مضخة.
يقدم «Pumped reflux» ما يلي:
- تدفق ارتجاعي مستقر وقابل للقياس
- تكيُّف أسرع أثناء الاضطرابات
- التحكم الدقيق في التدفق
- تحكم أسهل في النسب أو التحكم التسلسلي
- مرونة أكبر في التصميم
وتشمل أوجه قصورها ما يلي:
- طاقة إضافية للمضخة
- المزيد من المعدات والصيانة
- نقاط تسرب محتملة أخرى
- احتمال حدوث تجويف في المضخة أو انقطاع التدفق عند استخدام سوائل متطايرة ذات درجة غليان منخفضة
يُعد توفير مستوى كافٍ من ارتفاع الشفط الإيجابي الصافي (NPSH)، وضغط مناسب لأسطوانة الارتجاع، والتبريد الزائد المناسب، وتصميم موثوق لنظام التحكم في المضخة، أمورًا ذات أهمية خاصة في التطبيقات التي تتطلب درجات غليان منخفضة.
الارتجاع الداخلي والخارجي
المصطلحات الارتجاع الداخلي و الارتجاع الخارجي تتطلب تعريفًا دقيقًا لأنها قد تُستخدم بطرق مختلفة من نبات لآخر.
الارتجاع الداخلي
بالمعنى الديناميكي الحراري الواسع، يشير مصطلح «الارتجاع الداخلي» إلى تدفق السائل نزولاً داخل العمود. ويشمل هذا السائل الارتجاع المُعاد من الخارج وأي سائل ناتج عن التكثيف داخل العمود.
في مصطلحات المعدات، قد يشير مصطلح «الارتجاع الداخلي» أيضًا إلى الترتيبات التي يتم فيها تكثيف البخار العالي جزئيًا أو كليًّا في قمة العمود، ويعود المكثف مباشرةً دون مغادرة المجموعة العلوية.
قد يقوم المكثف الجزئي بتكثيف جزء من البخار المتصاعد وإعادة السائل مباشرةً إلى العمود، بينما ينتقل البخار المتبقي إلى مكثف آخر أو إلى نظام المنتج.
كما يمكن تركيب مكثف شامل مباشرة فوق العمود مزودًا بوعاء تجميع داخلي أو موزع للارتجاع. ويتم سحب جزء من المكثف كمنتج، بينما يعود الجزء المتبقي إلى العمود.
تشمل المزايا المحتملة ما يلي:
- عدد أقل من الوصلات الخارجية للأنابيب
- تقليل مخاطر التسرب
- لا توجد مضخة ارتجاع خارجية في بعض التكوينات
- تركيب موفر للمساحة
تشمل القيود المحتملة ما يلي:
- قد يكون من الصعب قياس تدفق الارتجاع بشكل مباشر
- قد تكون نسبة الارتجاع أقل دقة
- قد تتطلب الموزعات أو المقسمات الداخلية تصميمًا مخصصًا
- قد تكون عمليات الفحص والصيانة أكثر صعوبة
- قد يكون نطاق الضبط محدودًا
بالنسبة للمواد الخطرة أو شديدة السمية أو ذات درجة غليان عالية، قد يكون من المفيد تقليل الوصلات الخارجية. ومع ذلك، فإن الاختيار النهائي يتطلب إجراء تقييم لسلامة العملية وقابلية التشغيل.
الارتجاع الخارجي
في حالة الارتجاع الخارجي، يتم تكثيف البخار العلوي خارج العمود. وعادةً ما يدخل المكثف إلى أسطوانة الارتجاع، وبعد ذلك يتم سحب جزء منه كمنتج، بينما يُعاد جزء آخر عبر الأنابيب الخارجية.
قد يحتوي خط الارتجاع على ما يلي:
- مضخة ارتجاعية
- مقياس التدفق
- صمام التحكم
- نافذة الرؤية
- أجهزة قياس درجة الحرارة والضغط
- التحكم النسبي أو التسلسلي
يُستخدم الارتجاع الخارجي على نطاق واسع لأنه يوفر تدفقًا قابلًا للقياس وقابلًا للتعديل بشكل مستمر. كما يمكنه الاستجابة تلقائيًا للتغيرات في معدل التغذية أو التركيب أو الضغط أو متطلبات جودة المنتج.
وتشمل عيوبها الحاجة إلى معدات إضافية، واستهلاك الطاقة، ومتطلبات الصيانة، ونقاط التسرب المحتملة.
الاختيار بين الارتجاع الداخلي والخارجي
ينبغي أن يأخذ الاختيار في الاعتبار ما يلي:
- دقة قياس الارتجاع المطلوبة
- نطاق تشغيل نسبة الارتجاع
- تقلبات الأعلاف وتركيبتها
- مخاطر وسمية سائل العملية
- خطر التسرب
- الارتفاع الثابت المتاح
- مؤشر NPSH للمضخة
- تصميم الأعمدة والمكثف
- الوصول لأغراض الصيانة
- تكاليف رأس المال والتكاليف التشغيلية
- متطلبات نظام التحكم
يوفر نظام الارتجاع الخارجي عمومًا قياسًا وتحكمًا أفضل. وقد تكون أنظمة الارتجاع الداخلي أو الارتجاع بالجاذبية خيارًا جذابًا عندما تكون تقليل التسرب أو البساطة أو التعامل مع المواد الخطرة أمورًا أكثر أهمية.
على سبيل المثال، تستخدم بعض أنظمة تقطير فلوريد الهيدروجين نظام الارتجاع الداخلي لتقليل الدوران الخارجي ونقاط التسرب المحتملة. ويجب تقييم مدى ملاءمة مثل هذا التصميم للعملية المحددة.
الارتجاع الحار والبارد
كما يمكن تصنيف الارتجاع وفقًا لدرجة حرارته.
الارتجاع الحموي
يُطلق على الارتجاع الذي يعود عند درجة حرارة تقارب درجة غليانه اسم الارتجاع الحار أو الارتجاع بالسائل المشبع.
ونظرًا لأنه قد اقترب بالفعل من حالة التشبع، فإن كمية البخار المتصاعد التي يجب أن تتكثف لتسخين سائل الارتجاع حتى يصل إلى درجة الغليان تكون ضئيلة نسبيًّا.
الارتجاع البارد
يُطلق على الارتجاع الذي يعود إلى درجة حرارة أقل من درجة نقطة الفقاعة اسم الارتجاع البارد أو الارتجاع المبرد دون درجة الغليان.
يمتص الارتجاع المبرد تحت درجة الغليان الحرارة المحسوسة بعد دخوله العمود. ويؤدي ذلك إلى تكثف جزء من البخار الصاعد، مما يزيد من تدفق السائل الداخلي أسفل مدخل الارتجاع.
قد يؤدي ذلك إلى تحسين التكثيف العلوي والتأثير على عملية الفصل دون زيادة تدفق الارتجاع الخارجي المقاس. ومع ذلك، فإنه لا يؤدي إلى إنشاء صواني فيزيائية إضافية ولا يزيد تلقائيًا من عدد المراحل النظرية.
وتشمل آثارها الفعلية ما يلي:
- تغيير مسار البخار والسائل داخل النظام
- زيادة قدرة التبريد الإضافي للمكثف
- زيادة الحرارة المطلوبة في جهاز إعادة التسخين
- التأثير على التوزيع الحراري في الجزء العلوي من العمود
- قد يؤدي إلى تحسين معدل استرداد المنتج أو درجة نقاوته
- يزيد من خطر حدوث حمل هيدروليكي زائد محلي في حال عدم تضمينه في التصميم
بالنسبة لنظام المكثف الكلي، قد يكون من الملائم استخدام سائل مرتجع مبرد بشكل طفيف للأسباب التالية:
- يقلل التكثيف الكامل من خسائر البخار
- قد يكون من الصعب الحفاظ على درجة حرارة المكثفات عند نقطة الفقاعة بالضبط
- يساعد التبريد الفرعي المحدود على توفير ظروف شفط مستقرة لمضخة الارتجاع
ومع ذلك، فإن التبريد الزائد يؤدي إلى زيادة استهلاك الطاقة وقد يؤدي إلى اختلال نمط التدفق الداخلي المقصود. لذا، يجب إدراج الحالة الحرارية للارتجاع بشكل صحيح في محاكاة العملية والحسابات الهيدروليكية.
الارتجاع الكلي
الارتجاع الكلي هي حالة التشغيل التي يتم فيها إعادة جميع السائل المتكثف المتصاعد إلى العمود دون سحب أي منتج مقطر.
عند الارتجاع الكلي:
- لا يتم إنتاج أي منتج عالي التكلفة
- يتم تعظيم دوران السائل والبخار الداخليين بالنسبة إلى المدخلات الحرارية المحددة
- يحقق العمود أقصى درجة فصل له عند عدد ثابت من المراحل النظرية
- يتم تقليل العدد المطلوب من المراحل إلى أدنى حد ممكن لعملية فصل محددة
يُستخدم الارتجاع الكلي عادةً أثناء مرحلة التشغيل الأولي لتحديد ملامح درجة حرارة العمود وتركيبته، ولتحقيق مطابقة المنتج العلوي للمواصفات.
كما يمكن استخدامه مؤقتًا أثناء حدوث اضطرابات في العملية. ومع ذلك، فهو لا يُعد أسلوبًا عاديًّا للإنتاج على المدى الطويل، نظرًا لعدم سحب أي منتج زائد.
يجب أن يظل إجمالي الارتجاع ضمن السعة الهيدروليكية للعمود. فقد يؤدي المد الزائد للحرارة في ظل وجود إجمالي الارتجاع إلى توليد حركة داخلية كافية لتسبب الانجراف أو الفيضان.
الخاتمة
نادرًا ما تُحل مشكلات الفيضانات والاضطرابات الهيدروليكية الشديدة عن طريق زيادة كل من معدل الارتجاع وحمولة جهاز إعادة التسخين. فقد تؤدي هذه الإجراءات إلى تفاقم المشكلة الأصلية من خلال رفع أحمال البخار والسائل إلى ما يتجاوز السعة التصميمية للعمود.
ينبغي أن يشمل التشخيص الموثوق ما يلي:
- الضغط التفاضلي في العمود
- المنحنى الحراري
- معدل التغذية والظروف
- الارتجاع وحمل جهاز إعادة التسخين
- تركيبات الأجزاء العلوية والسفلية
- مستويات خزان الارتجاع وقاع العمود
- أداء المكثف وإعادة التسخين
- حالة أنبوب الهبوط أو حالة الحشوة
- تكوّن الرغوة، والتلوث، وتكوّن المواد الصلبة
- دقة الأجهزة واستجابة نظام التحكم
يُعد الارتجاع عنصراً أساسياً في عملية التقطير، لكن معدل تدفقه، وحالته الحرارية، وطريقة إعادته، واستراتيجية التحكم فيه يجب أن تتوافق مع التصميم الديناميكي الحراري والهيدروليكي للعمود.
التقطير المستقر يعتمد الأمر على تحقيق التوازن بين أداء الفصل، وحركة المرور الداخلية، وانخفاض الضغط، والحمل الحراري، وسعة المعدات، ومرونة التشغيل — وليس على تعظيم أي متغير تشغيلي بمفرده.
