بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبیه سازی بازیابی منومر وینیل کلراید((VCM
از گازهای خروجی واحد تولیدی پلی وینیل کلراید((PVCبه روش غشائی
چکیده :
برای جداسازی منومر وینیل کلراید (VCM) بدون واکنش که در جریان خروجی از راکتور تولید پلی وینیل کلراید ( ( PVCو همراه گازهای بـی اثـر ( و احـیانا همــراه دیگر گـازهـا) , از فنــآوری جداســازی گـازهــا (بخـــارات) بـا استفـاده از غشـــــاﺀ((Membrane Vapor/Gas Separation Technology استفاده می شود. هدف از این فرآیند ، بازیابی VCM ایی است که معمولا (بعنوان Off Gas یا ( waste stream سوزانده می شود و لذا بازیابی آن میتواند باعث جریان برگشتی VCM و استفاده مجدد آن در راکتورتولیدی PVC بعنوان ماده اولیه ( خوراک ) باشد. مزایای استفاده از چنین فناوری شامل بازیابی VCM وممانعت از وروداین آلاینده به محیط کار و محیط زیست ،جلوگیری از هدر رفتن ماده اولیه که به معنی حفظ سرمایه است ، می باشد. همچنین تقلیل هزینه های خنثی سازی اسید حاصــــله از سوزاندن Off Gas و کـاهش هزینه های تعمیر و نگهداری سیستم و تجهیـزات سوزاندن بتــوسط Incinerator را در برخواهد داشت.ما در این مطالعه به ارائه و توصیف مدلسازی ریاضی برای جداسازی مخلوط گازی دوجزئی با استفاده از مدل های جریان اختلاط کامل و متقاطع پرداختیم که هدف از آن ، کاهش جزﺀمولی VCM از ٩/٠ مول در خوراک به ١٨٤/٠ ‐ ٠٩/٠ مول در جریان غیر تراویده برای جریان متقاطع و ١٨٤/٠ در جریان اختلاط کامل بود . همچنین اثرات برش مرحله ای((stage cut و نسبت فشار جریان تراویده به خوراک (pr) بر میزان غلظت VCM در جریان تراویده و نیز سطح غشاﺀ مورد نیاز مورد بررسی قرار گرفت. در پایان نیز مقایسه ای بین میزان جداسازی VCM و سطح مورد نیاز غشاﺀ برای هر دو مدل جریان اختلاط کامل و متقاطع صورت گرفت.
واﮊه های کلیدی: غشاﺀ، جداساز، جریان تراویده،برش مرحله ای،جریان متقاطع،جریان اختلاط کامل،گزینش پذیری
مقدمه :
هم اکنون در ایران اسلامی دو واحد مجتمع پتروشیمی آبادان و بندرامام(ره) در حال تولید انواع پلی وینیل کلراید (١) تعلیقی می با شند که میزان آن مجموعا بیش از ٢٠٠ هزارتن در سال است.هزینه تولید پلی وینیل کلراید بستگی به هزینه مواد اولیه تولید منومر وینیل کلراید(٢) دارد و منومر وینیل کلراید بعنوان ماده اولیه تولید پلی وینیل کلراید عامل مهمی در هزینه تولید محسوب می شود و در حدود ٧٠-٤٥ درصـــد کـل هــزینه هـا را در بر دارد."صنعـت تولـیدی پلی وینیل کلراید در کـشوری چـون آمریکا در حدود ١١ میلیارد پوند از منومر وینیل کلراید استفاده میکند که تقریبا ١% از منومر وینیل کلراید در فرایند تولید پلی وینیل کلراید ، بدون واکنش (٣) در جریان خروجی از راکتور مربوطه ، بعنوان جریان زائد (٤) سوزانده می شودکه در طول سیکل احتراق ( سوزاندن ) منومر وینیل کلراید، اسید کلریدریک آزاد می شود که برای خنثی سازی آن باید از سودسوز آور(٥) که مستلزم هزینه کردن است ، استفاده کرد. برای نمونه در یک کارخانه تولیدی پلی وینیل کلراید ( در آمریکا ) ممکن است سالیانه ٥٠٠٠٠٠ پوند از منومر وینیل کلراید بعنوان جریان نامطلوب ،سوزانده گردد" ]١.[نمونه دیگری که میتوان در کشور مان – ایران – و در مجتمع پتروشیمی بندر امام (ره) مطرح کرد جریانی با دبی ٤/١ کیلوگرم بر ساعت و حاوی بیش از٩٠% وزنی از منومر وینیل کلراید که بسمت بخش سوزاندن(٤) هدایت می شود،است. اگر این جریان برای ٨ ساعت کاری در روز و برای هرماه و سال محاسبه شود ، طبق یک محاسبه تقریبــــی سالانه ٣٥٨٤ کیلوگرم یا ٥٨٤/٣ تن با بیش از ٩٠% وزنی از منومر وینیل کلراید به بخش سوزاندن(٦) هدایت می شود. البته این امر با توجه به وجود سیستم بازیابی در فرآیند تولیدی پلی وینیل کلراید این واحد است.از نظر زیست محیطی و جلوگیری از انتشار آلاینده ها در محیط زیست و نیز نیاز به افزایش بازدهی تولید برای اهداف اقتصادی ، تولید کنندگان پلی وینیل کلراید در دنیا برای بازیابی منومر وینیل کلراید واکنش داده نشده بعنوان مواد اولیه ، سیستم های جداسازی گازها و بخارات را بوسیله غشاﺀ ها مد نظر قرارداده اند. به نظر اولین مجموعـه ای که مبادرت به جـداسـازی منومر وینیل کلراید از مخـلوط گازی همــراه نموده است ،شــرکت MTR (٧) درآمریکا و در سال١٩٨٦ بوده که در ضمیمه –١ ،نحوه فعالیت این نوع سیستم غشایی ملاحظه می شود. " این شرکت غشایی بنام ١٣٥MTR‐ را ساخته که در مقابل حلالهای کلر دار موجود در فاز بخار یا مایع مقاومت مناسبی دارد و بعلت ضخامت ناچیز ٥ – ٢/٠ میکرومتر ، مقاومتی در برابر انتقال جرم نداشته (یا جزئی است) و لذا انتخابگری خوبی از خود نشان داده ،ضمن آنکه مقاومت حرارتی موادغشاﺀ تا٦٠ درجه سانتیگراد و با طول عمر سه سال ارزیابی شده است. این غشاﺀ در جداسازی منومر وینیل کلراید از مخلوط گازی سه جزئی شامل منومر وینیل کلراید ، ۲CO و۲N با ترکیب درصد حجــمی٨/٦٣ و٢/٣٦شــامل به ترتیب برای منومر وینیل کلراید ومجموع ۲CO و۲Nبه منظور کاهش مقدار منومر وینیل کلراید تا٤/٢٦درصد حجمی و با برش مرحله ای(٨) ٨٩/٠در جریان غیر تراویده و با مدل جریان از نوع مدل متقاطع(٩)و در مدول نوع مارپیچی(١٠) استفاده شده است . داده های بدست آمده در شرایط عملیاتی وفرآیندی خاصی نتیجه شده است" ]١[
.هدف از جداسازی تقلیل جزﺀ مولی منومر وینیل کلراید از ٩/٠ مول در جریان خوراک به ١٨٤/٠‐ ٠٩/٠ مول در جریان غیر تراویده(١١) است و بدنبال تعریف مدل ریاضی ( مدلسازی ) هستیم که این موضــوع را محقق کند البته نمونه مــــــدل سازیهای ریاضی دیگری که مشخصــا جداسازی منومر وینیل کلراید را دنبال نمی کند درمدل خود از آنها سود جسته ایم ، گزارش شده است]٢،٣،٤ و٩.[ ما از این نمونه ها و اطلاعات مربوطه جهت بررسی صحت ودقت مدل خود استفاده کرده واین در حالی است که نوع غشاﺀ و مشخصات آن ,شرایط عملیاتی فرآیند جداسازی و مشخصات جریان خوراک ما با این نمونه ها متفاوت است اما کلیت موضوع که ارائه مدل ریاضی ونتایج بررسی عوامل موثر برجداسازی جزﺀ مورد نظر و سطح غشاﺀ مورد نیاز برای دو نوع مدل جریان اختلاط کامل(١٢) و متقاطع است ، با نتایج( نمودارهای حاصله) برای این نمونه ها قابل بررسی و انطباق است
مدلهای جریان و معادلات ریاضی
درغشاﺀ مورد نظر، مدلهای جریان مورد استفاده ،مدل جریان اختلاط کاملومدل جریان متقاطع می باشدکه تحت فرضیات زیر مدلسازی ریاضی آن صورت گرفته است:
فرضیات :
١‐( کلیه اجزاﺀ موجود در خوراک قابلیت عبور از غشاﺀ را دارند.
٢‐( قابلیت تراوایی(١٣) هر جزﺀ در مخلوط گازی برابر با همان مقداری فرض می شود که در حالت خالص آن جزﺀ تعریف می شود و البته تابع فشار است.
٣‐( افت فشار جریان خوراک و جریانات تراویده(١٤)که در طول مسیر جریان رخ می دهد ، قابل اغماض است.
٤‐( در طول مسیر جریان ، پدیده نفوذ در مقایسه با جریان توده(١٥) ناچیز فرض می شود.
٥‐( هیچگونه مقاومتی در مسیر انتقال جرم فرض نمی شود.
٦‐( شرایط حالت پایدار را خواهیم داشت.
٧‐( جریان گاز دو جزئی (١و٢) است که شامل منومر وینیل کلراید و۲CO بوده و هر جزﺀ دارای تراوایی ثابت ٢٤٨٠٠٠ بارر(١٦)
برای منومر وینیل کلراید و٣٢٠٠ بارر برای ۲CO در دمای ٤٠ درجه سانتیگراد است.
اندیس ١ برای منومر وینیل کلراید و اندیس ٢ برای ۲CO در نظر گرفته شده است.
٨‐( جداسازی در یک مرحله(١٧) ارزیابی می شود.
٩‐( فاکتور جداسازی برای حالت ایده آل در نظر گرفته می شود.
‐ معادلات ریاضی مدل جریان اختلاط کامل ]٤، ٥ ،٦[
مطابق شکل (١) و با استفاده از مفروضات فوق و مشابه آنچه قبلا برای مدل جریان اختلاط کامل ارائه کردیم برای موازنه کلی انتقال جرم خواهیم داشت:
و برای جزﺀ١داریم :
برش مرحله ایی (١٨) بر حسب جزئی از خوراک که اجازه عبور از غشاﺀ را دارد تعریف و در حالت ایده آل خواهیم داشت :
و با توجه به معادلات (٣) و (٤ ) و تلفیق آنها ، خواهیم داشت :
و برای محاسبه فلاکس عبوری جزﺀ ١ از غشاﺀ با توجه به فرض اختلاط کامل ، خواهیم داشت :
و برای محاسبه شدت جریان تراویده جزﺀ١ خواهیم داشت :
مشابه آنچه برای جزﺀ ١ بدست آمد ، برای جزﺀ ٢ نیز خواهیم داشت :
و با توجه به اختلاط کامل در هر دو سمت فشار بالا (جریان خوراک ) و سمت فشار پایین ( جریان تراویده ) غشاﺀ داریم :
حال اگر دو رابطه (٨) و(٩) را برهم تقسیم نماییم ، خواهیم داشت :
حاصل معادله (١٤) ، معادله ایی غیر خطی و درجه دو برحسب ۱,ypخواهد بود که از حل آن به روشی که در ضمیمه ذکر خواهد شد به پاسخ نهایی برای جز ١ در جریان تراویده خواهیم رسید.معادله (١٤) پس از ساده سازی بصورت کلی زیر با ضرایب ثابتی در خواهد آمد :
‐ معادلات ریاضی مدل جریان متقاطع ]٤، ٥ ،٦[
با توجه به شکل (٢) ، برای یک مخلوط چند جزئی گازی ، بقای جرم در دیفرانسیلی از سطح غشاﺀخواهد شد :
فرض می شود که انتقال جرم بوسیله نفوذ مولکولی در جهت جریان سمت فشار پایین یا تراویده ، ناچیز است و لذا برای جزﺀ مولی ypi` جریان تراویده خواهیم داشت :
حال با تنظیم معادلات ( ١٦) و (١٧ ) به مجموعه معادلات دیفرانسیلی زیر خواهیم رسید :
نتایج و بحث
در این بخش نتایج حاصله با استفاده از نرم افزار Maple وبرای حصول جداسازی جزﺀمولی از ٩/٠ مول در خوراک گازی به ٠٩/٠ مول در جریان غیرتراویده ارائه می گردد ، ضمن آنکه در ادامه ونیز ضمیمه به بحث در خصوص نتایج و مقایسه آن با کارهای مطالعاتی مشابه خواهیم پرداخت.
مشخصات جریان خوراک :
آنچه که درخصوص مشخصات جریان خوراک و شرایط عملیاتی در این بخش مطرح است در مدل جریان متقاطع نیز صدق می کند. فرض کردیم که قابلیت تراوایی منومر وینیل کلراید در غشاﺀPDMS (١٩) معادل قابلیت تراوایی ١و٢ – دی کلرو اتان در این غشاﺀ است چرا که از نظر ساختار مولکولی میتوان تشابهی برای آنها تعریف کرد. سایر مشخصات خوراک بدین شرح است :
