بخشی از مقاله
١- مقدمه
در استخراج مایع- مایع، که به آن استخراج با حلال هم گفته می شود، اجزای یک محلول مایع به وسیله
١ دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی، پردیس دانشکده های فنی، دانشگاه تهران ٢ دکترای مهندسی شیمی، عضو هیئت علمی گروه پژوهشی مهندسی شیمی، پژوهشکده علوم هسته ای، پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای ٣ دکترای مهندسی شیمی، عضو هیئت علمی دانشکده مهندسی شیمی، پردیس دانشکده های فنی، دانشگاه تهران ٤ دانشجوی کارشناسی ارشد مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی، پردیس دانشکده های فنی، دانشگاه تهران
بررسیهتاثیرهشدتهضربههبرهموجوديهگگگ
تماس با یک مایع نامحلول دیگر جدا می شود. فرآیند استخراج مایع- مـایع امـروزه بـه طـور قابـل توجـه یکـی از عملیات جداسازی بالغ محسوب می شود. اگرچه پیشرفت فرآیند فوق به اندازه فرآیندهای دیگر جداسـازی ماننـد جذب و دفع ، تقطیر و ... نمی باشد، اما از اوایل قرن بیستم، حـدود سـال ۰۳۹۱ تقریبـا ۰۰۰۱ اسـتخراج کننـده در مقیاس های گوناگون از قبیل: صنعتی، نیمه صنعتی و آزمایشگاهی به کار گرفته شده اند ب۲،۱م.
در استخراج مایع- مایع مواقعی که سیستم مرحله ای کاربرد ندارد می توان از یک سیسـتم مـداوم بـا جریـان ناهمسو استفاده نمود. در تمامی این اعمـال محلـولی کـه اسـتخراج از آن انجـام مـی شـود خـوراک و مـایعی کـه خوراک با آن مجاور می شود حلال نامیده می شود. محصولی که از حلال غنی است استخراج شـده و مـایع بـاقی مانده که حل شونده از آن جدا شده است پسماند نامیده می شود. در استخراج مایع ـ مایع تماس نزدیـک مخلـوط خوراک با حلال و جداسازی مخلوط حاصل به دو لایه ضروری است و تجهیـزات اسـتفاده شـده بـرای اسـتخراج بایستی توانایی برآورده کردن این نیازمندی ها را داشته باشند. تجهیزات اسـتخراج مـایع- مـایع بـر طبـق سـاختار و مشخصات عملیاتی به دو گروه کلی تماس دهنده های مرحله ای و تماس دهنده های دیفرانسیلی طبقـه بنـدی مـی شوند ب۳م. ستون های ضربه ای پرشده که یک تماس دهنده دیفرانسیلی است، یکـی از دسـتگاه هـای مهـم مـورد استفاده در استخراج مایع- مایع می باشد که به خاطر راندمان بـالا و فضـای کـم مـورد نیـاز، در صـنایع هسـته ای، دارویی، پتروشیمی و غذایی کاربرد فراوان یافته اند. در استخراج کننده های مایع- مایع بـه علـت آنکـه، اخـتلاف دانسیته یک دهم یا کمتر است، پخش مناسب یک سیال در دیگری بـرای مایعـات بـا کشـش بـین سـطحی خیلـی زیاد، غیر ممکن بوده و موجب کاهش شدت انتقـال جـرم و بـازده سـتون اسـتخراج خواهـد شـد. بـه همـین دلیـل افزایش میزان انتقال جرم و در نهایت بهبود بازده ستون های استخراج مایع – مایع بسیار مهم و ضروری مـی باشـد، یکی از روش های افزایش بازده این ستون ها استفاده از یک انرﮊی مکـانیکی، جهـت ایجـاد قطـرات کـوچکتر و افزایش سطح مشترک و در نهایت افزایش شدت انتقال جرم و در پـی آن افـزایش بـازده عملیـاتی، مـی باشـد. در ستون های استخراج ضربه ای، انرﮊی مکانیکی ورودی به صورت پالس ورودی به بـرج تـامین مـی شـود. اصـلاح سازی بازدهی بواسطه افـزایش در توربولنسـی و سـطح تمـاس از طریـق خـرد کـردن فـاز پراکنـده مـی باشـدب۴م. استخراج کننده ضربه ای اولین بار بوسیله ون دیجک (Van Dijck) ساخته شد. بازدهی بالای برج هـای ضـربه ای و امکان تولید ضربه بطور خارجی باعث می شود که جزﺀ برج های مهم در صنعت هسته ای باشـد. امکـان کنتـرل سطح انتقال جرم، یکنواختی توزیع فاز پراکنـده در طـول سـطح مقطـع، اخـتلاط محـوری کـم و اقتصـادی بـودن عملیات استخراج از مزایای ستون های ضربه ای پرشده می باشد.
در این مقاله هدف بررسی تاثیر شدت ضربه، بر موجودی فاز پراکنده در ستون ضربه ای پرشده برای دو سیستم با کشش بین فازی بالا و متوسط می باشد.
سیزدهمین کنگره ملی مهندسی شیمی ایران و اولین کنفرانس بینالمللی منطقهای مهندسی شیمی و نفت
١-١- شدت ضربه
شدت ضربه یکی از پارامترهای مهم عملیاتی در ستون های پر شده ضربه ای مـی باشـد کـه موجـب شکسـته شدن قطرات و بالا بردن زمان اقامت آنها و در نهایت افزایش انباشت می شود. شدت ضربه حاصلضـرب فرکـانس در دامنه ضربه میباشد و نمایانگر انرﮊی ضربه است.
عبارت های معمول در تشریح عمل ضربه عبارتند از: فرکانس ضربه که سرعت اعمال ضـربه مـیباشـد و بـر حسب دور بر واحد زمان بیان میشود. دامنه ضربه که بـه فاصـله بـین مرکـز مـرده بـالا و پـایین حرکـت ضـربه در منطقه فعال ستون (نه در خط ضربه) گفته می شود.
بطور کلی برای ایجاد تغییر در شدت ضربه می بایست دامنه و یا فرکانس ضربه را تغییر داد. شـدت ضـربه بـه صورت حاصلضرب دامنه ضربه جApض در فرکانس جfض تعریف می شود. معمولاﹰ واحـد ضـربانسـاز، تغییراتـی را بـه طور مستقل در ایجاد فرکانس و دامنه پـالس فـراهم مـیکنـد. از روی دادههـای محققـین بیشـترین محـدوده دامنـه ضربان بکار برده شده در ستون ضربه ای پرشده بین ٠-٧٥/١ اینچ و بیشـترین محـدوده فرکـانس بکـار بـرده شـده، بین ٠-٦٠٠ دور بر دقیقه (۰-۰۱ دور بر ثانیه) است.
قسمت های مختلف یک ستون ضربه ای پرشده از پوسته، آ کنه، محافظ آکنه ها، توزیعکننده، ضـربان سـاز و مداخل ورودی و خروجی تشکیل شده استب٥م. ضربان ساز که تولیـد کننـده ضـربه در سـتون ضـربه ای پرشـده است، از مهمترین بخش های یک برج استخراج ضربه ای مـی باشـد کـه در ذیـل بـه تفصـیل بررسـی شـده اسـت. دستگاه های مکانیکی مختلف، پالس هایی بـا فـرم هـای مختلـف نظیـر سینوسـی، زیگزاگـی و نیمـه مربعـی ایجـاد می کنندب٦م. شدت ضربه که به عنوان معیاری از اندازه انرﮊی ورودی به یک ستون پرشده ضربهای مـورد اسـتفاده قرار می گیرد به فرکانس و دامنه ضربه بستگی دارد و مستقل از شکل حرکت ضربه میباشـدب٧م. ضـربانسـاز بایـد قوی باشـد بـه طـوری کـه بـه حجـم زیـادی از مایعـات داخـل سـتون ضـربه وارد شـود و حرکـت داده شـوندب۶م. ضربان ساز بطور معمول یک پمپ پلانگر (پمپ پیستونی با حرکت رفت و برگشـتی) مـیباشـدب۹،۸م. ضـربههـای تولید شده بوسیله این پمپ تقریباﹰ بصورت سینوسی است، نمونـهای از ایـن ضـربانسـاز در قسـمت جهض شـکل (١) نشان داده شده است. همچنین تولید ضربه با استفاده از یک بلوز فلزی یا پلاستیکیب۱۱،۰۱م در قسـمت جتض شـکل (١) و یا توسط یک دیافراگم بجای پیستون یا بلوزب۲۱م نیز امکان پذیر می باشد، در قسمت جطض شکل (١) حـالتی که یک محفظه هوا بـین ضـربانسـاز و محلـول قـرار مـیگیـرد تـا از تمـاس مسـتقیم مـایع خورنـده و ضـربانسـاز جلوگیری کند را نشان می دهد، این نوع ضـربان سـازها بـرای محلـولهـای خورنـده ماننـد محلـولهـای خورنـده رادیواکتیو مناسب می باشند، زیرا آنها معمولاﹰ در تماس مستقیم با سیال سـتون مـیباشـند و بـه مـرور زمـان خـورده می شوندب۳۱م. قسمت های ج2ض و جکض شک ل (١) به ترتیب ضربان ساز هیدرولیکی که بوسیله پمـپ و شـیر چرخشـی تولید ضربه میکند و ضربانساز بادی را نشان می دهندب۴۱،۱۱م.
بررسیهتاثیرهشدتهضربههبرهموجوديهگگگ
شکل ١- روشهای مختلف تولید ضربه
۱-۲- موجودی فاز پراکنده (انباشت) ش
به نسبت حجم فاز پراکنده به مجموع حجم فاز پیوسته و پراکنده در داخل ستون موجودی فاز پراکنده گفتـه میشود.
(١) Vd
V V
c d
ویگانت و همکارانش از جمله محققانی بودند که مشخصه هـای انباشـت را تحـت شـرایط ضـربهای مشـاهده کردنـد. آنهـا دریافتنـد در شـدت پـایین فـاز پراکنـده، پالس(شـدت ضـربه)ها، رانـدمان را ١٠ تـا ١٥ برابـر بهبـود می بخشند و انباشت را از ٥ تا٥٠ درصد افـزایش مـی دهـدب۵۱م. در سـتون هـای پـر شـده هلـدآﭖ یـا تجمـع مـایع عبارت است از مقدار مایعی است که به صورت لایههایی آکنهها را خیس کرده و نیز بصورت حوضـچههـایی در لابهلای پرکنها درگیر شده است. تجمع مایع ، از دو قسمت تشکیل شده است:
(٢) LtLOLS
که LS ، تجمع مایع ثابت و LO تجمع مایع متحرک یا در حین کار است و هر یـک از ایـن دو بـر حسـب حجـم مایع در واحد حجم ستون پرشده بیان می شوند. در واقع برای افزایش انتقال جرم بهتر است تجمع مایع متحرک تـا
جاییکه امکان طغیان نداشته باشد، بالا برود.
موجودی فاز پراکنده از طریق سه نوع رابطه قابل محاسبه است.
الف) توصیف موجودی با معادله سهموی (۳) VdصC Vcلc ل ج Ap f ضذc
ب) توصیف موجودی با معادله نمایی (٤) Bح VdجAضExpخc
سیزدهمین کنگره ملی مهندسی شیمی ایران
و اولین کنفرانس بینالمللی منطقهای مهندسی شیمی و نفت
ج) محاسبه موجودی با استفاده از سرعت نسبی دو فاز (٥) vd vc
ج ذض vk vs
ذ
روشهای الف و ب موجودی را بصورت مستقیم وروش ج موجودی را بصورت غیر مسـتقیم، از رابطـه مربـوط بـه سرعت لغزشی که در ارتباط با سرعت مشخصه VK و پارامترهای دیگر می باشد، تعیین میکنند.
(٦) Vc Vd
Vslip
e( 1 ) e( )
Vd سرعت فاز پراکنده و Vc سرعت فاز پیوسته وφ انباشت و℮ نمایانگر تخلل می باشند.
به غیر از روش های تئوری بالا روش های تجربی نیز برای اندازه گیری انباشـت موجـود اسـت کـه در ذیـل معرفی شده است.
٢- روش های اندازهگیری موجودی فاز پراکنده
٢-١- روش جابجایی:
در روش جابه جایی صبر میکنیم تا عملیـات در داخـل سـتون بـه حالـت پایـدار برسـد، بعـد بـا ثابـت مانـدن موقعیت کامل سطح مشترک دو فاز، تمام ورودیها و خروجیهای جریانها را میبنـدیم. سـپس سـطح مشـترک دو فاز به آهستگی، به خاطر تجمع فاز پراکنده در ستون و در نتیجه فشار فاز پراکنده به فاز پیوسته، پایین مـیآیـد. هنگامی که هیچ حرکتی از سطح مشترک مشاهده نشود، منبع فاز پیوسته را به آرامی باز میکنند مایع فاز پراکنـده از بالای ستون وارد یک رسیور میشود وقتی که سـطح مشـترک بـه موقعیـت اولیـه خـودش بازگشـت، منبـع فـاز پیوسته را فوراﹰ میبندند، حجم مایع فاز پراکنده اندازهگیری میشود. نسبت این حجم به حجم فضای خـالی داخـل ستون بیانگر انباشت فاز پراکنده است. گرچه این روش آسان بوده ولی مهمتـرین عیـب آن ایـن اسـت کـه مقـدار صحیح موجودی فاز پراکنده کلی در قسمت فعال ستون را نمی دهدب۶۱م.
