بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، فرآیند جداسازی اتیلن گلایکول از محلول آبی در دمای محیط - 25 C - توسط حلال آلی -2 اتیل هگزانول، با استفاده از دو مدل ترمودینامیکی UNIQUACوNRTL، در محاسبات تعادل فازیمورد مطالعه قرار گرفته است. فاکتور انتخاب پذیری و میزان استخراج نشان دهنده یکسان بودن نتیجه استفاده از هر دو مدل UNIQUACوNRTL در شبیه سازی فرآیند جداسازی اتیلن گلایکول از آب می باشند.
-1 مقدمه
در گذشته به دلیل هزینه پایین و خاصیت انتقال حرارتی بالا، از آب به عنوان مایع خنک کننده در بخش های داخلی موتور استفاده می شد. اما با مشخص شدن معایب کاربرد آب خالص، محققان در صدد جایگزین های دیگری برآمدند. از جمله این معایب می توان به پایین بودن نقطه جوش آب که باعث بخار شدن آن و ایجاد اختلال در موتورهای جدید می گردد، اشاره نمود. همچنین بالا بودن نقطه انجماد آب و افزایش حجم حدود9 درصدی آن - برخلاف سایر ترکیبات شیمیایی که بر اثر انجماد کاهش حجم می یابند، - موجب تخریب رادیاتور و حتی بخشی از موتور خواهد شد.
از طرفی، خوردگی و زنگ زدگی فلزات مصرفی در سیستم خنک کننده نیز توسط آب بسیار شدید است. [1] ابتدامتانول بدست آمده از تقطیر چوب، بیشترین کاربرد را در ساخت ضد یخ داشت. الکل اتیلیک، گلیسیرین، کلرورکلسیم و همچنین آب نمک مایعاتی بودند که به عنوان خنک کننده به کار می رفتند . آب شکر و مخلوط آب عسل نیز به مقدار محدود به عنوان خنک کننده کاربرد داشتند.
همچنین نفت و روغن های نفتی که با آب مخلوط نمی شوند نیز به عنوان مایع خنک کننده کاربردهای محدودی داشتند.[1] با توسعه صنعت خودروسازی، مصرف مایعات خنک کننده موتور نیز افزایش چشمگیری یافت. در این سالها، الکل اتیلیک به دلیل هزینه کم و تولید مناسب به عنوان بهترین مایع خنک کننده موتور به کار گرفته می شد و به تدریج استفاده از ترکیبات یاد شده، هر یک به دلایلی منسوخ گردید .
در این میان کاربرد ضد یخ پایه الکلی، به دلیل پایین بودن نقطه جوش مخلوط آب و الکل، تبخیر سریع الکل و احتمال آتش گرفتن آن و همچنین سمی بودن متانول که موجب صدمه به سرنشینان می شد، نامناسب تشخیص داده شد.مصرف گلیسیرین نیز تابع بازار تولید و مصرف بود. مصرف کلسیم کلرید و آب نمک نیز که در بعضی نواحی به عنوان مایع ضد یخ به کار می رفت، به دلیل خاصیت شدید خورندگی، به میزان قابل توجهی محدود شد.
همچنین استفاده از محلول شکر و یا عسل در آب به دلیل نیاز به محلول های غلیظی از این مواد برای نزول نقطه انجماد منسوخ گردید. به کارگیری مایعاتی از قبیل روغن های معدنی و نفتی نیز به دلیل پایین بودن قابلیت انتقال حرارتی و افزایش گرانروی آنها در فصل زمستان - که موجب کاهش تبادل حرارتی می گردد، - متوقف شد. علاوه بر دلایل یاد شده هنگام استفاده از این ترکیبات، اگر درجه نشان دهنده دما در خودرو خراب می شد، بالا رفتن حرارت مایع خنک کننده معلوم نمی شد و بدین ترتیب این ترکیبات در حرارت های بالا موجب ذوب لحیم های موجود در رادیاتور و سوختن موتور می شدند.
در سال1925 میلادی برای اولین بار مصرف اتیلن گلیکول به عنوان خنک کننده موتور رواج پیدا کرد. در ابتدا مصرف این ماده کم بود ولی به تدریج با آگاهی بیشتر نسبت به مزایای محصول تولیدی، مصرف آن افزایش یافت و در حال حاضر بیشترین مصرف اتیلن گلیکول به منظور تولید سیال خنک کننده موتور است. افزایش مصرف اتیلن گلیکول و کاربردهای مناسب آن برای سیال خنک کننده موتور، به تدریج مصرف متانول، الکل اتیلیک و سایر مواد شیمیایی برای تولید ضد یخ کاهش یافت و در سال 1950مصرف این مواد در فرمولاسیون مایعات خنک کننده موتور به کلی منسوخ شد به گونه ای که تولید و مصرف اتیلن گلایکول از 49 میلیون لیتر به 71 میلیون لیتر در سال رسید.
محلول44 تا70 درصد اتیلن گلیکول در آب، سیستم رادیاتور را در بالاترین ظرفیت طراحی شده نگه می دارد و به این ترتیب با استفاده از این محلول مطمئن می شویم که موتور به دلیل جوش آوردن صدمه نخواهد دید. علاوه بر این، اختلاط نسبت معینی از اتیلن گلایکول با آب، عمل خنک کردن در دامنه وسیعی از دما انجام می دهدو نقطه انجماد آب را به میزان کافی پایین می برد.
یکی دیگر از مزایای به کارگیری اتیلن و پروپیلن گلیکول به عنوان سیال پایه در فرمولاسیون ضد یخ، پایین بودن میزان آثار مخرب زیست محیطی این ترکیبات است. اتیلن و پروپیلن گلایکول می توانند پس از مصرف وارد محیط آبی شوند. هر دو محلول قابلیت حلالیت بالا داشته و میزان آثار زیان بار این دو ماده برای ماهی ها، حیات وحش، حیات گیاهی و میکروارگانسیم ها پایین است.تجزیه بیوشیمیایی این دو ماده سریع و کامل انجام می شود.[1]
اتیلن گلایکول دارای کاربردهای صنعتی متفاوتی است، از جمله : -1 مواد اولیه جهت تهیه رزین های پلی استر -2 بازدارنده تشکیل هیدرات در خطوط لوله های گاز طبیعی -3 ضد یخ و سرد کننده -4 حلال صنعتی از دیگر موارد مصرف اتیلن گلیکول :اتیلن گیلکول بهعنوان حلال رنگها، پلاستیکها، و مواد دارویی،در تهیه pet ، ضد یخ، رزین پلی استر غیر اشباع، مواد منفجره، فیبر، کاغذ، چرم، پوششهای حفاظتی، جوهر چاپ،ابرها،مایعات هیدرولیک، تمیز کننده ها، ضدیخ در رادیاتور بهکار میرود و مهمترین مصرف اتیلن گلایکول، در تهیه الیاف مصنوعی، فیلم و نوار میباشد.
برای تهیه اتیلن گلیکول، ابتدا اتیلن اکسید و آب وارد راکتور شده و پس از انجام واکنش، اتیلن گلیکول تولید می شود.[1] در این مقاله فرآیند جداسازی اتیلن گلایکول از محلول آبی، توسط نرم افزار Aspen plusبا استفاده از دو مدل ترمودینامیکیUNIQUACوNRTLشبیه سازی و فاکتور انتخاب پذیری و درصد استخراج در دو حالت با یکدیگر مقایسه می شود.[2]
-2 شبیه سازی
امروزه با استفاده از نرم افزارهای موجود در زمینه شبیه سازی فرآیندها، پیش بینی وقایع و بهینه سازی فرآیند بدون صرف هزینه و زمان، ممکن شده است. در این میان نرم افزار Aspen plus به دلیل بهره گیری از بانک اطلاعاتی قوی، مدل های ترمودینامیکی و مدل های گوناگون برای تجهیزات، جایگاه بسیار ویژه ای در صنعت امروز یافته است.
قابلیت های کلیدی نرم افزار Aspen plusعبارت است از : قدرتمندترین نرم افزار در زمینه طراحی و شبیه سازی واحدهای فرآیندی، نیروگاهی و مخازن طبیعی نفت و گازتأمین محدوده وسیعی از نیازمندی های متخصصان در شرکت های مشاور، صنایع و نیز دانشگاه ها ، پوشش اکثر فرآیندهای نفت، گاز وپتروشیمی.4] و [3 انتخاب روش ترمودینامیکی مناسب یکی از مهمترین پارامترها در موفقیت شبیه سازی فرآیند است .
روش های ترمودینامیکی موجود در Aspenامکان تعیین خواص مخلوط های از محدوده هیدروکربن های سبک تا سیستم های مخلوط های پیچیده برش های نفتی وسیستم های شیمیایی به شدت غیر ایده آل را فراهم می کنند. معادلات ترمودینامیکی باید قادر باشند تا خواص ترمودینامیکی و انتقالی سیستم را محاسبه کنند. خواص ترمودینامیکی عبارتند از : ضریب فوگاسیته، آنتالپی، آنتروپی، انرژی آزاد گیبس، حجم و خواص انتقالی عبارتند از : ویسکوزیته، ضریب هدایت حرارتی، ضریب نفوذ و کشش سطحی. [5] با توجه به موارد ذکر شده دو مدل ترمودینامیکی UNIQUACوNRTLانتخاب می گردند و در پایان شبیه سازی با یکدیگر مقایسه می شوند.[2] در شکل 1، نمایی از شبیه سازی فرآیند جداسازی اتیلن گلایکول از محلول آبی نشان داده شده است.
خوراک ورودی - جریان - 1 شامل %80 آب و %20 اتین گلایکول است که دارای نرخ جریان 100kg/hr می باشد. حلال خالص نیز - جریان - 2 با نرخ جریان 0/1kg/hr مورد استفاده قرار می گیرد. ستون اول، یک ستون استخراج مایع – مایع - Extract - و ستون دوم، یک ستون Radfracاست که به منظور بازیابی حلال مورد استفاده قرار می گیرد.
همان طور که در شکل مشاهده می شود، حلال پس از جدا شدن از اتیلن گلایکول همراه با مقدار کمی ناخالصی، به برج استخراج بازگردانیده می شود. همچنین به منظور افزایش بازده جداسازی و کاهش مقدار انرژی مصرفی، خوراک پیش گرم می شود. ستون استخراج دارای 5 سینی بهینه است و داده های بدست آمده در جداول نشان داده شده اند.
