بخشی از مقاله
چکیده
متیل استات حلالی است که در اکثر فرآیندهاي شیمیایی و جداسازي مورد بهره قرار گرفته و براي تهیه آن از روش تقطیر واکنشی استفاده میشود. تقطیر واکنشی یکی از فرآیندهاي مهم و پیچیده در صنایع شیمیایی است که در آن عملیات جداسازي و واکنش شیمیایی به صورت همزمان انجام میپذیرد. در این مقاله فرآیند تقطیر واکنشی براي تولید متیل استات با خلوص بالا با نرم افزار کأئژ غکژکA شبیه سازي شده است. برج تقطیر واکنشی در نظر گرفته شده داراي 25 مرحله و محتوي 4 جزء می باشد.
پارامترهاي موثر بر کل فرآیند شامل محل ورود خوراك، محل انجام واکنش، نسبت جریان برگشتی، دبی محصول بالاي برج و بار حرارتی جوش آور براي بهترین جداسازي با خلوص بالا بررسی و مقادیر بهینه گزارش گردیده اند. همچنین تغییرات دما، کسر مولی اجزاء، دبی مایع و گاز در طول برج رسم شده اند. مدل هاي مختلف ضریب فعالیت در این مقاله بررسی گردید و بهترین مدل با توجه به بالاترین کسر مولی متیل استات مشخص گردید. در نهایت نتایج حاصل از شبیه سازي با داده هاي تجربی مقایسه شده است و مطابقت بسیار خوبی مشاهده گردیده است.
– 1 مقدمه
واکنش یک الکل با اسید را که منجر به تولید ترکیبی به نام استر می شود، استري شدن می نامند. واکنش استري شدن، واکنشی است تعادلی که در حضور مقادیر کم اسیدهاي معدنی انجام میشود و با تولید آب همراه است. اولین و قدیمیترین روش سنتز استرها، واکنش اسیدهاي آلی با الکل ها در حضور اسید معدنی به عنوان کاتالیزور می باشند.[1] متیل استات مایعی خنثی، بی رنگ، غیر قابل اشتعال با بوي آروماتیکی است که یکی از فرارترین حلالهاي صنعتی می باشد.
متیل استات یک حلال مناسب براي رزینهاي نیترو سلولز و استات سلولز، سلولز اترها، پلی وینیل استات، تعداد زیادي از رزین هاي دیگر و نرم کنندهها و اکثر روغن هاي نفتی و چربی ها می باشد. متیل استات همچنین در صنعت عطر سازي و تهیه رنگینه هاي آلی مصرف می شود.[3] متیل استات عمدتا براي تولید استات سلولز استفاده میشود و به همین دلیل تولید متیل استات تقریبا برابر با مصرف آن می باشد. میزان تقاضا براي متیل استات بستگی به میزان تولید استات سلولز دارد.
مصرف جهانی استات سلولز براي تولید فیلتر سیگار همچنان در حال رشد است و به همین دلیل پیش بینی می شود مصرف متیل استات تا سال 2011 رشد متوسطی داشته باشد.[4] یکی از فرآیندهاي تولید این ماده، واکنش استریفیکاسیون در حضور یک کاتالیست اسیدي جامد - یک رزین تبادلگر کاتیونی قوي - به جاي کاتالیست اسید سولفوریک در فرآیند تقطیر واکنشی می باشد که در این مقاله مورد بررسی قرار خواهد گرفت.[5]
فرآیند تقطیر واکنشی1 ترکیبی از فرآیند تقطیر و واکنش شیمیایی است که هر دو عمل همزمان و در داخل یک برج اتفاق میافتد. این ترکیب براي فرآیندهایی که واکنش در دما و فشار مناسب براي جداسازي رخ می دهد بسیار موثر عمل می کند. جداسازي همزمان محصولات تولیدي از واکنش سبب می شود که محصولات جانبی نامناسب از فرآیند حذف شوند. در نتیجه بازدهی عملیات بالا رود. به همین علت مشکل جداسازي موادي که داراي نقطه جوش نزدیک به هم هستند و یا با هم آزوتروپ تشکیل می دهند از بین می رود.[6] واکنش مورد نظر میتواند از نوع واکنش هاي همگن کاتالیستی و واکنش حرارتی - غیر کاتالیستی - باشد و چندین مزیت را در مقایسه با فرآیندهاي متداول ایجاد می کند.
از جمله این مزایا این است که واکنش و عمل جداسازي به صورت متوالی صورت می گیرند و به طور همزمان محصول از مخلوط واکنشی جدا می گردد. امروزه بیش از صد واحد تقطیر کاتالیستی در دنیا در حال بهره برداري است و بیشتر این واحدها در طول 15 سال گذشته احداث شده اند.[7] این فرآیند در مقایسه با واحدهاي سنتی که ترکیبی از یک واکنشگاه و یک سامانه تقطیر است ، بیش از 20 درصد از نظر سرمایه گذاري اولیه، هزینه عملیات و صرفه جویی انرژي مقرون به صرفه تر است. امروزه استفاده از تقطیر واکنشی به علت مزایاي فراوان آن از جمله ادغام مراحل واکنشی و جداسازي، کاهش هزینه اولیه و عملیاتی، غلبه بر محدودیت هاي ناشی از تعادل شیمیایی، استفاده از گرماي واکنش در تقطیر، جداسازي مخلوط هاي آزوتروپی رو به افزایش است.[8]
فرآیند تقطیر واکنشی به علت انجام همزمان جداسازي و واکنش از نظر شبیه سازي وکنترل داراي پیچیدگی هایی می باشد. براي پی بردن رفتار کامل برج، واکنش و جداسازي، محققان در حال انجام تحقیقات گسترده تر بر روي مدلینگ و شبیه سازي فرآیند، طراحی ستون، رفتار تعادلی فاز گاز و مایع و کنترل دینامیکی فرآیند می باشند. امکان پذیر بودن فرآیند تقطیر واکنشی به چند عامل مهم وابسته می باشد.
از جمله این پارامترها می توان به فراریت اجزاء، دما و فشار برج و نسبت جریان برگشتی نام برد.[9] هدف از این پژوهش که عملیات تولید و جداسازي متیل استات در یک سیستم بطور همزمان صورت می گیرد، مطالعه و شبیه سازي برج تقطر واکنشی، غلبه بر محدودیت هاي ناشی از تعادل شیمیایی، جلوگیري از تشکیل آزوتروپ، افزایش بازده، تعیین مقادیر بهینه براي پارامترهاي مختلف و تاثیر هر کدام از این پارامترها بر خلوص متیل استات می باشد.
– 2 بخش تجربی
مشخصات دستگاه تحت بررسی، یک برج تقطیر واکنشی ساخته شده توسط غکفژپب و همکارانش در سال 2001 می باشد. این برج براي تولید متیل استات با خلوص بالا راه اندازي شده است.[10] همانطور که در شکل - 1 - مشاهده می شود این برج از نوع سینی دار و شامل 25 عدد سینی بوده، همچنین شامل کندانسور و ریبویلر و دو خوراك ورودي می باشد. استیک اسید از بالاي سینی 6 و متانول از بالاي سینی 19 وارد برج می شوند - این برج از بالا به پایین شماره گذاري شده است - . متیل استات به حالت مایع از بالاي برج با خلوص بالا و آب از پایین برج خارج می شوند. ترکیب دو خوراك ورودي، دبی محصول بالا و پایین برج و نسبت جریان برگشتی در شکل - 1 - مشخص شده اند. در برج مورد نظر یک واکنش خواهیم داشت.
