بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله، فرآیند جداسازی اسید لاکتیک از محلول آبی با استفاده از حلال های -1پنتانول و -1 هگزانول با نرم افزار Aspen plus شبیه سازی شده و از یک ستون استخراج و یک ستون تقطیر جهت بازیابی حلال استفاده می شود. برای محاسبه تعادل فازی، از مدل ترمودینامیکی UNIQUAC و پارامترهای دوتایی بدست آمده از آزمایشات تجربی استفاده شده است. ضریب توزیع و فاکتور انتخاب پذیری نشان می دهد که حلال -1 هگزانول برای جداسازی اسید لاکتیک از آب مناسب تر است.
-1 مقدمه
اسید لاکتیک یک کربوکسیلیک اسید با فرمول شیمیایی CR3RHR6ROR3R و وزن مولکولی کم است که یک گروه هیدروکسیل در مجاورت گروه کربوکسیل خود دارد و یک آلفاهیدروکسی اسید می باشد1]و[2 و برای اولین بار در سال 1780 توسط شیمیدان سوئدی carl Wilhelm Scheele از شیر ترش بدست آمد. اسید لاکتیک در صنایع غذایی، شیمیایی و دارویی کاربرد فراوان دارد. در صنایع غذایی از اسید لاکتیک به عنوان نگهدارنده و یا به عنوان افزدونی طبیعی در ایجاد طعم و مزه در غذاها استفاده می شود.
همچنین در تولید سایر اسیدهای آلی، اسیدهای آکریلیک، اتانول[3] و یا به عنوان مونومر جهت تولید پلی لاکتیک اسیدها که از پلاستیکهای زیست تجزیه پذیر می باشد و در ساخت ابزار آلات پزشکی نظیرنخ های بخیه ، داروها آهسته رها شونده و حشره کشها کاربرد دارد، مورد استفاده قرار می گیرد. اسید لاکتیک در صنعت مواد شوینده نیز به عنوان یک عامل ضد باکتریایی کاربرد فراوان دارد.
در نتیجه اسید لاکتیک با خلوص بالا بسیار مورد نیاز است. در حال حاضر اسید لاکتیک به دو طریق بیولوژی - روش های تخمیری - و سنتزی در صنعت تولید می شود2]و.[3 با توجه به اینکه بیشترین حجم تولید اسید لاکتیک در جهان به صورت تخمیری است و یکی از مشکلات اساسی در تولید اسید لاکتیک از محیط تخمیری این است که اسید تولید شده در غلظت های بالا اثر سوء بر میکروارگانیسم ها دارد وتولید اسید را متوقف می کند[4]، بنابراین، بازیافت اسید لاکتیک از محلول آبی از اهمیت اقتصادی بالایی برخوردار است.
روش های مختلفی که برای جداسازی اسید لاکتیک از محیط آبی استفاده می شود شامل: کروماتوگرافی تعویض یونی، جذب سطحی، الکترودیالیز و ... می باشد. استخراج با حلال به دلیل ضریب توزیع بالا، ساده بودن و صرف انرژی کم روشی مناسب برای جداسازی اسید لاکتیک از محیط آبی می باشد و توسط چند محقق بررسی شده است.[5]
امروزه استفاده از کامپیوتر برای مدل سازی و شبیه سازی فرآیندهای شیمیایی، یکی از مهم ترین زمینه های مهندسی شیمی را تشکیل می دهد. همانطور که می دانیم مدل سازی و شبیه سازی فرآیند، روشی کم هزینه و مؤثر برای شناخت دقیق فرآیند و بهبود عملکرد آن و تحلیل رفتار دینامیک سیستم، پیش از بروز مسائل فرآیندی می باشد و می توان مدلهای دقیقی برای بررسی فرآیند ها ارائه و مورد بررسی قرار داد. این نرم افزارها امکان وارد کردن اطلاعات پایه ای واکنشها و خصوصیات دستگاهها و عملیات واحد و شرایط عملیاتی فرآیندها را فراهم می کنند.
مدلهای ترمودینامیکی دقیق اینگونه نرم افزارها مبنای مناسبی برای محاسبات و پیشگویی شرایط واقعی است. با توجه به اینکه آزمایشات تجربی وقت گیر و هزینه بر است، بنابراین پیش بینی داده های آزمایشگاهی به کمک برنامه های شبیه سازی در دسترس، مطلوب بوده و امکان تحلیل اقتصادی بسیارسریع و دقیق فرآیند، بدون اشتباه و صرف هزینه های گزاف فراهم می آید. تاکنون حلال های مختلفی از جمله اکتانول، نونانول، دکانول [6]، n-بوتانول[7]، تری بوتیل آمین در کلروفرم[8] و آلامین 336 در دکانول[9] برای جداسازی اسید لاکتیک از محلول آبی مورد استفاده قرار گرفته است. در این مقاله از -1پنتانول و -1 هگزانول به عنوان حلال برای این فرآیند استفاده می شود.
-2 شبیه سازی
در این مقاله از نرم افزار Aspen plus برای شبیه سازی فرآیند استفاده شده است. معادلات ترمودینامیکی نسبتا دقیق و بانک اطلاعاتی وسیع مواد، این نرم افزار را جزء قوی ترین نرم افزار های شبیه سازی فرآیندهای پایای شیمیایی قرار داده است که نقش عمده ای در تسریع محاسبات و اطمینان از صحت روشها و عملیات را دارد .[10]
انتخاب معادله حالت مناسب در شروع شبیه سازی الزامی است دقّتو نتایج شبیه سازی شده به کیفیت پارامترهای دوتایی حاصل از مدل های ضریب فعالیت فاز مایع بستگی دارد. مدل ترمودینامیکی [11] UNIQUAC به دلیل اینکه بهترین مدل برای مطالعه رفتار فازی LLE و VLE است، انتخاب شده است. از داده های آزمایشگاهی استفاده شده و پارامترهای دوتایی تأثیرات متقابل بدست آمده و در شبیه سازی استفاده می شود.[6] این پارامترها در جدول1 نشان داده شده است. واحد ها بر حسب کلوین می باشد.
شکل1، تصویری از مدل فرآیند جداسازی اسید لاکتیک که در این نرم افزار ایجاد شده است را نشان می دهد. خوراک ورودی شامل مخلوط %85 آب و % 15 اسید لاکتیک با نرخ جریان 100 کیلوگرم بر ساعت می باشد. همانطور که در شکل مشاهده می شود، این فرآیند شامل دو ستون استخراج - EXTRACT - و ستون بازیابی حلال - - RADFRAC می باشد. بازیابی حلال، سلامت زیست محیطی و منافع اقتصادی را به دنبال خواهد داشت. برج بازیابی، حلال را از اسید لاکتیک جدا می کند. سپس حلال سرد شده و به برج استخراج باز گردانده می شود.
برای باز گرداندن حلال، به حلال با ناخالصی کم به طوری که روی عملکرد برج استخراج تأثیر بدی نگذارد نیاز است. پیش گرم کردن خوراک ورودی به برج تقطیر نیز به منظور بهبود بازده جداسازی و کاهش سطح مصرف انرژی در نظر گرفته شده است. ستون استخراج در 5 سینی بهینه می شود و داده ها برای ستون تقطیر در جدول 2 نشان داده شده است. غلظت اسید لاکتیک در پایین ستون تقطیر برای -1 پنتانول %96/8 و برای -1 هگزانول %97/3 می باشد. جزئیات فرآیند و شرایط عملیاتی در جدول 3 ارائه شده است.
