بخشی از مقاله
چکیده
جداسازي موادي که داراي نقطه جوش نزدیک هستند همواره یکی از مطرح ترین مباحث در زمینه مهندسی شیمی بوده است. هنگامی که دو جزء به هر دلیلی با روش هاي معمول جداسازي مثل تقطیر از هم جدا نمی شوند، ممکن است جزء سومی به عنوان حلال استفاده شود. جداسازي مخلوط آب-پروپانول در این مقاله بررسی شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهند که روش تقطیر روش مناسبی براي این جداسازي نمی باشد. نتایج نشان می دهند که استفاده از حلال بهترین روش براي جداسازي است . مناسب ترین طراحی ممکن استفاده از برج استخراج و برج تقطیر به صورت متوالی است. بهترین طراحی شبیه سازي شده و با نتایج تجربی مقایسه گردیده است. نتایج شبیه سازي با داده هاي تجربی به خوبی مطابقت می کنند.
١- مقدمه
جداسازي موادي که داراي نقطه جوش نزدیک هستند همواره یکی از مطرح ترین مباحث در زمینه مهندسی شیمی بوده است. روس تقطیر معمولا در اینگونه جداسازي ها کارآمد نبوده و باید از روش هاي دیگر جداسازي در این سیستم ها استفاده کرد. هنگامی که دو جزء به هر دلیلی با روش هاي معمول جداسازي مثل تقطیر از هم جدا نمی شوند، ممکن است جزء سومی به عنوان حلال استفاده شود . - Perry,1997 - استفاده از حلال مستلزم طراحی برج هاي استخراج است. براي بررسی میزان کارآمدي روش هاي جداسازي براي موادي با نقطه جوش نزدیک مخلوط آب-پروپانول مورد بررسی قرار می گیرد. . براي آب نقطه جوش 100 C و براي پروپانول در حدود 97.2 C است
-2 انتخاب معادله حالت
مرحله اول شبیه سازي انتخاب بهترین مدل ترمودینامیکی است. خوراك شامل آب، پروپانول و متانول است. خوراك بوتانول در این حالت حلال است زیرا آب و پروپانول داراي نقطه جوش تقریبا یکسانی هستندبوتانول در آب به صورت نامحلول است و مخلوط داراي دو سیستم فازي مایع است. Blockو Hegnerپارامترهاي معادله NRTLرا براي این مخلوط به دست آورده اند و پارامترهاي مایع-مایع براي معادلات UNIFACتوسط Magnussenبه دست آمده اند
پارامترهاي معادله حالت NRTLدر جدول - 1 - نشان داده شده است - . - Visweswaran,2007 استفاده از پارامترهاي دیگر براي شبیه سازي بیمعنی هستند زیرا با تغییر هر پارامتر جواب متفاوتی به دست می آید و معادلات تعادل فازها تغییر میکنند.
جدول - 1 - پارامترهاي معادله حالت NRTL
-3 تقطیر
دو حالت براي جداسازي دو جزء وجود دارد. حالت اول استفاده از یک برج تقطیر و حالت دوم استفاده از یک ماده دیگر به عنوان حلال در برج تقطیر است.
-1-3 حالت اول
یک مثال می تواند شرایط این تقطیر را نشان دهد. خوراك مولی شامل %50 آب و % 50 پروپانول را در نظر بگیرید. این خوراك وارد وسط برج می گردد. جدول - 2 - نتایج شبیه سازي را براي تعداد سینی هاي 5، 20 و 100 سینی نشان می دهند. براي تمام شبیه سازي هاي انجان شده از معادله حالت NRTLاستفاده شده است.
جدول - 2 - نتایج به دست آمده از شبیه سازي براي تعداد سینی هاي 5، 20 و 100
بنابراین می توان گفت که که راهی براي تقطیر مخلوط آب-پروپانول وجود ندارد منطقی است زیرا تقطیر به رنجی از دماي جوش نیاز دارد و هنگامی که این رنج بسیار کوچک باشد، استفاده از تقطیر براي جداسازي بی معنی است.
-2-3 حالت دوم
در قسمت قبل نشان داده شد که جداسازي آب و پروپانول را هرگز با استفاده از تقطیر نمی توان انجام داد. در این بخش ابتدا یک خوراك سه جزئی شامل آب-پروپانول-بوتانول مورد بررسی قرار می گیرد. با وارد کردن خوراك به برج تقطیر نتایج نشان داده شده در جدول - 3 - به دست می آیند.
جدول - 3 - تتایج به دست آمده از تقطیر مخلوط آب-پروپانول- بوتانول
جواب ها داراي نتایج مهمی هستند. این برج تقطیر فقط توانایی جداسازي بوتانول را داراست زیرا دماي جوش بوتانول در حدود 117 درجه سانتیگراد است. مرحله بعدي جداسازي آب و پروپانول است. شماتیک کلی جداسازي با استفاده از تقطیر در شکل - 1 - نشان داده شده است.در این شماتیک از بوتانول به عنوان حلال استفاده شده است. چون جداسازي آب از پروپانول توسط تقطیر غیرممکن است بنابراین از بوتانول به عنوان حلال استفاده می کنیم، زمانی که مخلوط سه جزیی به برج تقطیر وارد می شود فقط بوتانول جدا شده و این امر موجب می شود که سیکل موجود در شکل - 1 - بی نهایت گردد.
شکل - 1 - شماتیک کلی جداسازي با استفاده از تقطیر
-4 استخراج
مرحله نخست تغیر پارامترهاي معادله NRTLبه پارامترهاي داده شده است . چون ASPENاز فرمت dechemaاستفاده نمی کند پارامتري براي خوراك وجود ندارد، اما می توان داده هاي τij , τjiو αijرا در بخش پارامترها وارد کرد. خوراك شامل 69.2% آب، 26.7% بوتانول و 4.1% پروپانول است.
منحنی مانده1در aspenبراي این هدف مناسب است و می توان مکان خوراك را تعیین کرد.این منحنی در شکل - 2 - نشان داده شده است. براي هر دما و فشار یک نمودار تعادلی وجود دارد. نمودار رسم شده در فشار 1 اتمسفر و دماي 370 درجه کلوین است.
شکل - 2 - منحنی مانده براي مخلوط سه جزئی شامل آب-پروپانول-بوتانول
براي هر دما و فشار یک نمودار تعادلی وجود دارد. نمودار رسم شده در فشار 1 اتمسفر و دماي 370 درجه کلوین است. براي استخراج خوراك دو جریان نیاز است. جریان اول شامل بوتانول است و جریان دوم شامل آب و پروپانول است. بوتانول به عنوان به برج استخراج وارد می شود و جریان دیگر به صورت جداگانه به برج وارد می شود. شرایط و شماتیک برج استخراج در شکل - 3 - نشان داده شده است.
