بخشی از مقاله
چکیده
در برخی ازسیستم های هیدروکربنی به خاطر وجود فراریت نزدیک دو ترکیب در دمای نزدیک به هم می جوشند بنابراین به سادگی و با انجام عمل تقطیر ساده ازهم جدا نمی شوند. برای جداسازی چنین ترکیباتی از هم از یک ماده سوم برای استخراج یکی از مواد از دیگری استفاده میشود. ماده عامل بدین ترتیب با ایجاد اختلاف نسبتا مناسب در فراریت دو جز اصلی از هم جدا میشوند
در این پژوهش شبیه سازی فرآیند تقطیر استخراجی برای جداسازی مخلوط شامل ایزوپروپانول و اتانول مورد بررسی قرار گرفت. شبیهسازی فرآیند توسط نرمافزار Aspen Plus انجام شده و برای محاسبه دادههای تعادلی از مدل ترمودینامیکی NRTL-RK استفاده شده است. در این پژوهش از آلفا فلاندرین به عنوان حلال استفاده شد. نتایج نشان از تاثیر زیاد افزودن این حلال در فراریت داشته است به طوریکه که تعداد سینیهای لازم برای جداسازی کاهش یافته و تقریبی از تعداد سینیهای مورد نیاز در برج، محل بهینه سینیهای خوراک و حلال در هر مورد محاسبه شده است.
.1 مقدمه
اتانول به طور گسترده در صنایع شیمیایی و مهندسی شیمی به عنوان یک حلال قوی و به عنوان یک ماده خام یا واسطه در ترکیب استرها، ترکیبات آلی و زنجیرهای، مواد شوینده، رنگکاری، لوازم آرایشی، عطرها، پزشکی، موادغذایی و ... مورد استفاده قرار میگیرد.
بخش بزرگی از طراحیهای مهندسی شیمی متوجه عملیات جداسازی است که از این میان جداسازی مخلوطهای آزئوتروپیک، یک موضوع کاربردی و مورد علاقه صنعت است. بیشتر مخلوطهای مایع از ترکیبات آلی، سیستمهای غیرایدهآل را تشکیل میدهند. حضور بعضی از گروههای خاص، به ویژه گروههای قطبی - نظیر اکسیژن، نیتروژن، فلور و... - اغلب منجر به تشکیل آزئوتروپها میشود که این مخلوطها معمولا ممکن است به صورت موثر به وسیله تقطیر از یکدیگر جداشوند
روشهای متعددی برای جداسازی مخلوطهای آزئوتروپیک وجود دارد و روشی که در این مقاله انجام گرفته است معمولترین روش جداسازی دو ماده اتانول و ایزوپروپانول یا همان تقطیر استخراجی است. به دلیل اینکه هر دو ماده اتانول و ایزوپروپانول در ساختار و ویژگیهای شیمیایی شبیه هم هستند بنابراین جداسازی این مخلوط تنها به روش تقطیر ساده امکانپذیر نیست
.2 تقطیر استخراجی
در برخی از سیستمهای هیدروکربنی، به خاطر وجود فراریت نزدیک اجزا، دو ترکیب در دمای نزدیک به هم میجوشند. بنابراین به سادگی و با انجام عمل تقطیر ساده از هم جدا نمیشوند.برای جداسازی چنین ترکیباتی از هم، از یک ماده سوم برای استخراج یکی از مواد دیگری استفاده میشود و بدین ترتیب با ایجاد اختلاف نسبتا مناسب در فراریت، دو جزء اصلی از هم جدا میشوند.
در تقطیر استخراجی با استفاده از اضافه کردن مقداری از یک عامل جداکننده - حلال - ، فراریت نسبی اجزای خوراک تغییر و رفتار ترمودینامیکی سیستم تعیین میگردد. این فرآیند جداسازی با هدف جداسازی فراریت نسبی کم سیستم است یا به عبارتی جداسازی سیستمهایی که آزئوتروپ دارند. علاوه بر این تشکیل ندادن و ایجاد نکردن آزئوتروپ اضافه به سیستم از جمله مزیتهای حلال ورودی به سیستم است. برای انجام موفقیتآمیز فرآیند جداسازی حلال ورودی بایستی همه یا بعضی از ویژگیهایی که در ذیل اشاره خواهیم کرد را دارا باشد
ویژگیهای حلال ورودی در فرآیند تقطیر استخراجی:
· این عامل ورودی، باید فراریت نسبی بین اجزای مخلوط را تغییر دهد.
· فراریت آن پایین باشد که به عنوان محصول در پایین برج وجود داشته باشد.
· از نظر حرارتی پایدار باشد.
· با هیچ یک از اجزای مخلوط، واکنش ندهد.
· استفاده آن از نظر اقتصادی، به صرفه باشد.
· به دلایل شرایط نگهداری و امنیت، خورنده نباشد.
· سمی نباشد.
· حلال باید به راحتی از اجزای پایین برج، جدا شود.
· به طور کامل از اجزای مخلوط قابل جداشدن باشد.
انتخاب حلال ورودی به فرآیند، در واقع بر اساس توانایی حلال مذکور در تغییر فراریت نسبی سیستم است. اگرچه انتخاب نهایی حلال، باید براساس ارزیابی همه متغیرهای درگیر در فرآیند و ویژگیهای آنها و با هدف دستیابی به شرایط بهینه و همچنین کاهش سرمایهگذاری و هزینههای عملیاتی باشد
.3 شبیهسازی فرایند
شبیهسازی روش مفیدی برای ارزیابی ویژگیهایی از فرآیند است که بدون صرف و یا اتلاف هزینه زیاد قابل پیشبینی است. برای انجام و اجرای شبیهسازی، نوع فرآیند و همچنین عامل جداکننده بایستی مشخص باشند. برای یک مخلوط آزئوتروپیک و همجوش، فرآیندهای صنعتی مهمی از قبیل تقطیر آزئوتروپیک، جذب، تبخیر، تقطیر تحت گردش، تقطیر استخراجی و ... برای جداسازی وجود دارند.
بعد از انتخاب حلال، برای شبیهسازی برجها و همچنین مدل دقیق برجها از نرمافزار Aspen Plus و همین طور برای پیشبینی ضرایب فعالیت از مدل ترمودینامیکی NRTL-RK استفاده شده است و پارامترهای سینی خوراک و حلال، تعداد سینیها، دبی حلال، میزان جریان برگشتی و بار حرارتی برای استفاده از حلال و با افزودن هر بار حلال محاسبه گردیدهاند.
طرح فرآیند شبیهسازی شده در شکل 1 آورده شده است.
شکل - 1 فرایند تقطیر استخراجی. منبع .Aspen Plus
.4 نقشه منحنی تهماند1
نیاز به یک روش برای مقایسه عوامل مختلف در جداسازی برای مخلوطهای همجوش و تقطیر استخراجی، نیازی مشهود است. نقشههای منحنی تهماند، ابزار مناسبی برای طراحی و آنالیز این فرآیندهای جداسازی است.
مکانشناسی این نقشهها مشخص میکند که آیا حلال ورودی برای تقطیر استخراجی مناسب است یا خیر. یک نقشه منحنی تهماند ، یک ترکیب خطی است که تغییر ترکیب در فاز مایع را در یک تقطیر ساده نمایش میدهد. همچنین مجموعهای از منحنیها برای یک مخلوط تعیین شده است. این نقشهها حاوی اطلاعات مشابهی هستند که یک نمودار فازی داراست اما یک نقشه منحنی تهماند میتواند در تفهیم سیستمهای تقطیر و طراحی آنها استفاده بیشتری داشته باشد. نمودار RCM برای سیستم اتانول- ایزوپروپیل الکل- آلفا فلاندرین2 در شکل 2 رسم شده است.
