بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مطالعه و بررسی هلدآپ و سرعت مشخصه در ستونهاي ضربهاي
چکیده
از آنجا که انتقال جرم در سیستمهاي مایع- مایع بسیار کمتر از سیستمهاي گاز– مایع میباشد، فقط تعداد کمی از مراحل تئوري در ستونهاي استخراج وجود خواهد داشت. چون تشکیل قطره در ستونهاي همراه با سینی غربالی یا آکنه، فقط تحت نیروي شناوري رخ می دهد. به منظور بهبود انتقال جرم، انرژي مکانیکی باید بهصورت همزدن اضافی و یا ایجاد پالس اضافه شود تا باعث آشفتگی بیشتر در سطح مشترك و ایجاد قطرههایی با اندازه کوچکتر شود .
بدین منظور در صنایع مختلف، از ستونهاي ضربهاي استفاده میشود. زیرا این ستونها یکی از دستگاههـاي مهـم مـورد اســتفاده در اســتخراج مــایع- مــایع مــیباشــند کــه بــه خــاطر رانــدمان بــالا و فضــاي کــم مــورد نیــاز، در صــنایع هستهاي،دارویی،پتروشیمی و غذایی کاربرد فراوان یافتهاند.
در ستون ضربهاي وجود ضربه باعث تسریع در رسیدن به نقطه طغیان و افزایش شدت انتقال جرم می شود، لذا در این نوع ستونها ظرفیت ستون پایین و ارتفاع آن کم میباشد از اینرو ستونهاي ضربهاي در استخراج مواد رادیواکتیو بهخاطر کم بودن هزینه حفاظگذاري بر دیگر دستگاهها ارجحیت دارد و براي شناخت هر چه بهتر کارکرد و افزایش مقیاس در این ستونهاي استخراج، مطالعه پارامترهاي هیدرودینامیکی امري ضروریست که در این مقاله به بررسی اجمالی دو عامل هیدرودینامیکی یعنی موجودي فاز پراکنده و سرعت مشخصه در ستونهاي ضربهاي که نقش مهمی را در طراحی و بزرگنمایی ستونهاي فوق دارا میباشند، پرداخته شده است.
واژههاي کلیدي: استخراج مایع- مایع، ستون ضربهاي، پارامترهاي هیدرودینامیکی، موجودي فاز پراکنده، سرعت
مشخصه
-1 مقدمه
استخراج مایع- مایع یکی از مهم ترین فرآیندهاي جداسازي در صنایع شیمیائی میباشد. این فرآیند در صنایع مختلـف نظیر استخراج فلزات، حذف آلاینده ها، در صنایع نفتی و غیره کاربرد فراوان دارد. اگرچه استفاده از فناوري اسـتخراج بـا حـلال بیش از 100 سال پیش آغاز شده است، اما در چند دهه اخیر به عنوان یک فرآیند جداسازي ساده و مؤثر اهمیت ویژهاي پیـدا نموده است.
در تعریف استخراج مایع- مایع بهطور کلی میتوان گفت، یک خوراك مایع که باید اجزاء آن از یکدیگر جدا شوند با یک فاز مایع دیگر که حلال نامیده میشود در تماس قرار میگیرد. حلال با یک یا تعداد بیشتري از اجزاء خوراك امتزاج ناپذیر است یا امتزاج پذیري اندکی دارد، اما بهطور کامل یا جزئی با یک یا تعداد بیشتري از اجزاء خوراك امتزاج پذیر میباشد. از این رو، حلال که یک ماده یا مخلوط شیمیایی است، اجزاء خاصی از خوراك را در خود حل میکند و دست کم، موجب جداسازي یک جزء خوراك مایع خواهد شد.
دستگاههاي استخراج مایع- مایع باید توانایی ایجاد تماس هرچه بیشتر بین دو فاز را داشته باشد تا انتقال جرم ماده حل شده، بین دو فاز بهخوبی انجام شود و سرانجام دو فاز بطور کامل از هم جدا شوند. تجهیزات استخراج مایع- مایع بهدلیل کاربردهاي گستردهشان، گوناگونی فراوانی دارند. این تجهیزات را میتوان بر اساس مشخصات عملیاتی آنها دستهبندي کرد. بر این اساس، این دستگاهها به دو گروه کلی تماس دهندههاي مرحلهاي و تماس دهندههاي دیفرانسیلی تقسیم میشوند. در تماس دهنده مرحلهاي، شمار مشخصی از مراحل وجود دارد که در هر یک از آنها دو فاز به تعادل میرسند و سپس با گذر ناهمسو، جدا میشوند، در صورتی که در تماس دهنده دیفرانسیلی، ترکیب فازها بهطور پیوسته تغییر میکندب1م.
یکی از پرکاربردترین ستونهاي مورد استفاده در فرآیندهاي استخراج مایع- مایع، ستونهاي ضربهاي میباشند که جهت بهبود راندمان ستونهاي پرشده و ستونهاي سینیدار میتوان از ضربات و نوسانات پالس در سیستم استفاده کرد.
افزایش در توربولنسی و سطح تماس از طریق خرد کردن فاز پراکنده عامل بهبود راندمان میباشد. ستونهاي ضربهايمعمولاً به سه صورت سینیدار، پرشده و دیسک و دونات طراحی و ساخته میشوند و نوسانات توسط دستگاه تولید ضربان به مایع موجود در ستون وارد میشود. راندمان بالاي ستونهاي ضربهاي و امکان تولید ضربه بهطور خارجی، عوامل مهم در کاربرد فراوان آن در صنایع هستهاي میباشند. فاز پراکنده شده در پایین یا بالاي صفحات ائتلاف مییابد و به دلیل نیروهاي تنش سطحی به سختی از سوراخهاي صفحه عبور میکند تا وقتی که یک پالس آن را به داخل سوراخها فشار دهد و باعث پراکندگی مجدد شودب2م.
٢
-2 پارامترهاي هیدرودینامیکی
با توجه به اهمیت فرآیند استخراج مایع- مایع در فرآیندهاي شیمیائی، بررسی رفتـار یـک دسـتگاه اسـتخراج و همچنـین طراحی و افزایش مقیاس دقیق آن، نیازمند بررسی دقیق مشخصات هیدرودینامیکی و انتقال جرمی دستگاه میباشد. که در این مقاله به معرفی پارامترهاي هیدرودینامیکی مانند موجودي فاز پراکنـده، سـرعت لغزشـی فازهـا و سـرعت مشخصـه کـه جـزء پارامترهاي هیدرودینامیکی در طراحی ستونهاي ضربهاي میباشند پرداخته خواهد شدب3م.
-3 موجودي فاز پراکنده
به نسبت حجم فاز پراکنده به مجموع حجم فاز پیوسته و پراکنده در داخل ستون موجودي فاز پراکنده گفته میشود
(1) .
در ستونهاي پر شده هلداپ یا تجمع مایع عبارت است از مقدار مایعی است که بهصورت لایههـایی آکنـههـا را خـیس کرده و نیز بهصورت حوضچههایی در لابهلاي پرکنها درگیر شده است. تجمع مایع ، از دو قسمت تشکیل شده است:
(۲)
که حع، تجمع مایع ثابت و قع تجمع مایع متحرك یا در حین کار است و هر یک از این دو بر حسب حجم مایع در واحد حجم ستون پرشده بیان میشوند. تجمع متحرك عبارت از مقدار مایعی است که در بین پرکنها بهطور مداوم جاي خـود را به مایع جدید میدهد. اگر جریانهاي ورودي به درون برج متوقف شوند این مایع از لابهلاي پرکنها چکه خواهد کـرد. جـزء ثابت در بین آکنهها درگیر شده و بصورت ساکن درآمده است و جابجایی آن با مایع جدید به کندي انجام میگیـرد، همچنـین در اثر توقف جریانهاي ورودي، چکه نخواهد نمود. تجمع مایع ثابت تاثیري بر انتقال جرم ندارد، چـون نیـروي محـرك انتقـال جرم که در واقع همان اختلاف غلظت است به سمت صفر میل میکند. در واقع براي افزایش انتقال جرم بهتر است تجمع مـایع متحرك تا جاییکه امکان طغیان نداشته باشد، بالا برود.
ویگانت و همکارانش از جمله محققانی بودند که مشخصههاي انباشت را تحت شـرایط ضـربهاي مشـاهده کردنـد. آنهـا دریافتند در شدت پایین فاز پراکنده، پالسها، راندمان را 10 تا 15 برابر و انباشت را از 5 تا 50 درصد بالا یا بیشتر بسـتگی بـه مشخصههاي ضربهاي، بهبود میبخشندب4م.
براي پیشبینی موجودي فاز پراکنده در ستونهـاي ضـربهاي سـینیدار معـادلات متعـددي پیشـنهاد شـده اسـت. در جدول((1 بعضی از آنها درج شده است و در این جدول سه نوع مختلف از معادلات ذکر شده است که عبارتند از:
موجودي فاز پراکنده از طریق سه نوع رابطه قابل محاسبه است.
٣
الف) توصیف موجودي با معادله سهموي:
(۳)
ب) توصیف موجودي با معادله نمایی:
ج) محاسبه موجودي با استفاده از سرعت نسبی دو فاز:
روشهاي الف و ب موجودي را بهصورت مستقیم و روش ج موجودي را بهصـورت غیـر مسـتقیم، از رابطـه مربـوط بـه سرعت لغزشی که در ارتباط با سرعت مشخصه فه و پارامترهاي دیگر میباشد، تعیین میکنند.
