بخشی از مقاله
کاربرد تقطير واکنشي و بررسي سينتيک آبگيري از اتانول توسط کاتاليست جامد اسيدي
چکيده
امروزه تحليل رفتن منابع انرژي و آلودگي سوختهاي توليدي توسط آدمي، محققان را به سمت توليد سوختهاي پاک و دوست دار محيط زيست و مبتني بر شيمي سبز سوق داده است . اين امر محققان را بر اين داشته که بـه دنبال راهکارهايي نو براي توليد سوخت باشند که نه تنها مانع از، از بين رفتن منابع سوخت هاي توليدي شـود، بلکه سوخت هايي را توليد کند که کمترين آلودگي و نيز کمترين مصرف انرژي را داشته باشد و از منابعي براي توليد آنها استفاده شود که جايگذين داشته باشد و در عين حال بهـره وري بـا بکـارگيري کاتاليسـت و کـاه توليد محصولات جانبي افزايش يابد. پيشرفت هاي صنايع شيميايي به منظور بهينه سازي فرآيندهاي شيميايي، سيستم هاي تقطير واکنشي در چند دهۀ اخير مطرح شده و پيشرفت هاي چشم گيـري نيـز داشـته اسـت . بـا استفاده از اين روش مي توان سوخت هاي همچون دي متيل اتـر و بـايوديزل را بـر اسـاس اصـول دوازده گان ه شيمي سبز توليد کرد. در تقطير واکنشي اجتماع بخش جداسازي و واکنش در يک فرآيند واحد چنـد منظـوره بهبود مي يابد، اين اجتماع را در اصطلاح تقطير واکنشي مي گويند.در اين مقاله سعي شده که مروري کلـي بـر کاربرد تقطير واکنشي و نيز سينتيک فرآيند آبگيري الکـل اتـانول جهـت توليـد سـوخت پـاک د اتيـل اتـر و همچنين بيان مزايا و معايب آن و کاتاليست هاي بکاربرده شده در ايـن فرآينـد، صـورت گيـرد و همچنـين ـه اصول حاکم بر اين فرآيند جهت توليد سوخت پاک که دغدغه دنياي امروز مي باشد، پرداخته شود.
کلمات کليدي
تقطير واکنشي، آبگيري، اتريفيکاسيون ، استريفيکاسيون ، سوخت پاک
١. مقدمه
تاکنون فعّاليت هاي تحقيقاتي زيادي براي توسعه و معرفي کردن تقطير واکنشي نسبت به ديگر فرآيندهاي شيميايي در دست اقدام هستند، صورت گرفته است . توسعه ابزار قابل اطمينان براي طراحي فرآيندهاي تقطير واکنشي اغلب يک حوزة مهّم در فعّاليت هاي تحقيقاتي است . به عّلت برهمکنش واکنش و تقطير در يک شاخه منفرد، رفتار عملياتي تقطير واکنشي در حالت پايا و ديناميک نسبت به فرآيندهاي متداول مي تواند بسيار پيچيده باشد. در فرآيندهاي صنايع شيميايي، واکنش شيميايي و تصفيۀ محصول مطلوب توسط تقطير، معمولاً بطور متوالي صورت مي گيرد. در خيلي از موارد، انجام اين فرآيند شيميايي با ساختار کلاسيک مي تواند قابل اهميّت باشد که توسط اجتماع تقطير و واکنش در يک فرآيند واحد چند منظوره بهبود مي يابد. اين اجتماع به اصطلاح تقطير واکنشي يا کاتاليستي است ، که به اختصار RD ناميده مي شود[٤، ١]. بطور کلي در روش تقطير واکنشي هدف بهبود گزينش پذيري و افزايش کسر تبديل مواد اوليّه مي باشد که بدنبال افزايش اين دو فاکتور راندمان بطور چشمگيري افزايش مي يابد[٥]. توليد سوخت بايوديزل از اوليئک اسيد و متانول نمونه اي از کارهاي اخيري در سال ٢٠١٠ مي باشد که در زمينه تقطير واکنشي صورت گرفته است ، بايوديزل يکي از سوخت هاي پاک مي باشد(شکل شماره ١)[٧،٦].
شکل ١: چرخه زندگي بايوديزل به عنوان سوخت پاک و دوست دار محيط زيست (چپ ). توليد بايوديزل در اروپا (راست )[٦].
٢. بحث و نتايج
١.٢. مروري بر تحقيقات گذشته
تقطير واکنشي در سال ٢٠٠٠ توسط تيلور و کريشنا بررسي شد، که عمدتاً بر روي جنبه هاي مدل سازي تقطير واکنشي متمرکز شده اند[١٢]. تاچلنسکي و همکارانش در سال ٢٠٠١ روشي براي طراحي فرآيند تقطير واکنشي در مقياس صنعتي را ارائه دادند. اين گروه از محققان دو مزيت افزايش تبديل فرآيند تقطير واکنشي را توسط گسستگي ترشيري بوتيل الکل مورد بررسي قرار دادند و بيشتر بر روي جنبۀ طراحي فرآيند در مقياس صنعتي متمرکز شده اند. در طراحي فرآيند دو فاکتور قابل توجه وجود دارد، يکي اقتصادي بودن فرآيند يا طرح در حال اجرا و ديگري امکانپذير بودن فرآيند مي باشد. طراحي فرآيند با مطالعه ي امکان سنجي شروع مي شود. ابتدا بايد براي طرح کاربردي تقطير واکنشي ايده آل محدوديت ها و شرايط را مورد بررسي قرار داد و در صورت امکان افزايش مقياس بايد پارامترهاي مهّم در افزايش مقياس مورد بررسي قرار گيرد[١٣]. از مهّمترين مسائل در افزايش مقياس براي طراحي ستون صنعتي قطر، ارتفاع و شرايط داخل ستون مي باشد(شکل شماره ٢)[ ٥].
شکل ٢: رابطه ي ابزار افزايش مقياس و پارامترهاي طراحي[٥].
در سال ٢٠٠٢ ساندميچر و همکارانش بطور کلي تقطير واکنشي را مورد بررسي قرار دادند و نقش سينتيک واکنش شيميايي بر رفتار فرآيند حالت پايا را مورد بررسي قرار دادند. دوهرتي و ملون تفاسير ارزشمند در روند آينده و چالش ها در اين زمينه ارائه دادند و هِس اصول ترموديناميکي فاز مايع و تعادل واکنش را بررسي کرد[٤].
٢.٢. مزايا و معايب تقطير واکنشي
با توجه به بررسي هاي انجام شده بطور کلي هر طرحي که مطرح مي شود داراي يک سري مزايا و معايب مي باشد. در اين بخش
برخي از مزايا و معايب اين طرح را مورد بررسي قرار مي دهيم . مزاياي تقطير واکنشي را مي توان به شرح زير بيان کرد:
١. در تقطير واکنشي بعلّت ساده سازي سيستم جداسازي هزينه سرمايه گذاري کاهش مي يابد، زيرا دو مرحله ي فرآيند در يک دستگاه واحد صورت مي گيرد.
٢. در تقطير واکنشي با افزايش ميزان تبديل مواد تا حدود صد در صد راندمان افزايش مي يابد.
٣. در تقطير واکنشي بدليل حذف سريع محصولات از محيط واکنش از ايجاد واکنش هاي زنجيره اي که موجب توليد محصولات جانبي مي شود، جلوگيري مي شود در نتيجه با کاهش استفاده از مواد خام و نيز کاهش محصولات جانبي گزينش پذيري بهبود مي يابد.
٤. حداکثر دما در ناحيه ي واکنش محدود به نقطه ي جوش مخلوط واکنش است بطوري که خطر تشکيل نقاط داغ بر روي کاتاليست از بين مي رود.
براي تقطير واکنشي با توجّه به مزايا و امتيازاتي که دارد چندين محدوديت پيش بيني مي شود. در تقطير واکنشي کاتاليست مورد استفاده گران قيمت مي باشد و بايد طول عمر زيادي داشته باشد. ولي اينها براي تقطير واکنشي محدوديت بحساب نمي آيند بلکه محدوديتهاي تقطير واکنشي عبارتنداز: محدوديت فراريت ، زمان اقامت ، عدم تطبيق پذيري شرايط فرآيند، گرما زا بودن واکنش و غير فعال شدن کاتاليست .
٣.٢. مواد شيميايي
اتانول که مي تواند به عنوان خوراک وارد راکتور مورد استفاده شود، بايد داراي خلوصي بيش از ٩٩.٤% باشد. اغلب فرآيندهاي شيميايي صنعتي کاتاليستي هستند، کاتاليست هاي زيادي جهت آبگيري الکل ها مورد استفاده قرار گرفته اند از جمله اين کاتاليست ها زئوليت ها و سيليکا – آلومينا و بتا سيکلودکسترين سولفونيک اسيد و رزين هاي تبادلگر يوني مي باشند که با استفاده از آنها پژوهشگران توانسته اند الکل هايي مانند اتانول را آبگيري کنند و از طريق آبگيري الکل به محصول دلخواه خود دست يابند[ ٩١١، ٢،١٠].
٤.٢. تفاوت تقطير واکنشي با ديگر روش هاي جداسازي
در روش هاي جداسازي، طي يک واکنش شيميايي در راکتور مورد استفاده محصول مطلوب به همراه يکسري محصولات جانبي توليد مي شود و سپس توسط يک برج تقطير محصول اصلي از محصولات جانبي جداسازي مي شود. بدنبال توليد محصولات جانبي کاهش بازده عمليات را خواهيم داشت که براي بالا بردن بازده بايد محصولات جانبي را حذف نمود، در اين صورت بايد شرايط بهينه را فراهم کرد، که اين خود داراي مشکلاتي است که به سبب اين مشکلات به منظور بهينه سازي فرآيندهاي شيميايي سيستم هاي تقطير واکنشي مطرح شده اند (شکل شماره ٣). سيستم هاي تقطير واکنشي در واقع تلفيقي از خواص راکتورهاي شيميايي و برج هاي تقطير در يک واحد مجزا مي باشند.
جداسازي همزمان محصولات توليد شده از مخلوط واکنش سبب مي شود که محصولات جانبي نامطلوب توليدي واکنش ، حذف شوند که اين باعث بالا رفتن بازدهي عمليات در حال انجام مي شود. در واقع بطور کلي مي توان بيان کرد که تفاوت اين دو فرآيند يعني فرآيند متداول و تقطير واکنشي در اين است که در فرآيند تقطير واکنشي در بخش واکنشي بلافاصله بعد از توليد محصولات ، محصولات درجا جداسازي مي شوند که با اين عمل مي توان کسر تبديل را تا صد در صد افزايش داد. اغلب مثال هاي ديده شده
