مقدمه
موضوع پایان نامه حاضر، تحقیق در یکی از زمینه های ناشناخته فرایند تقطیر واکنشی است. این فرآیندهمانطور که از نامش پیداست عبارتست از انجام همزمان دو فرآینـد واکـنش شـیمیایی و جداسـازی بکمـکتقطیر در یک ستون. روش تقطیر واکنشی مخصوصا” برای رده وسیعی از واکنش هـای گرمـازا در فـاز مـایعدارای مزایایی نظیر، محدود نبودن میزان تبدیل واکنش کنندگان به تعادل شیمیایی، کـاهش حجـم و تعـدادتجهیزات فرآیندی مورد نیاز، کاهش میزان مصرف انرژی بخاطر استفاده از گرمـای واکـنش در عمـل تقطیـر،افزایش گزینش گری فرآینـد بخـاطر خـروج مـداوم محـصول از محـیط واکـنش و سـهولت کنتـرل سیـستم می باشد.
یکی از کاربردهای فرآیند تقطیر واکنشی تولید اترهایی نظیر ترشری آمیل متیل اتر می باشد. این ماده بعد از MTBE به دلیل خواص خوب خود به عنوان یکی از مهمترین افزودنی ها به بنزین موتور جهت خوش سوزی استفاده میشود. در سالهای اخیر بدلیل کمبود خوراک 4C جهت تولید MTBE توجه محققین به استفاده از برش 5C خروجی از واحدهای FCC مجتمع ها جهت تولید ترشری آمیل متیل اتر معطوف گردیده است. در این تحقیق شبیه سازی فرآیند تولید این ماده در برج تقطیر واکنشی بکمک نرم افزارهای اصلی مهندسی شیمی ارائه خواهد شد.

تولید ترشری آمیل متیل اتر ( به همراه شبیه سازی)

تولید ترشری آمیل متیل اتر ( به همراه شبیه سازی)

فهرست مطالب

چکیده…………………………………………………………………………………………………………………………1
مقدمه………………………………………………………………………………………………………………………….2

فصل اول: کلیات تحقیق

1-1- هدف از تحقیق ……………………………………………………………………………………………………..4
1-2- پیشینۀ تحقیق ……………………………………………………………………………………………………….5
1-4 مزایای فرآیند تقطیر واکنشی ……………………………………………………………………………………….6
1-5 معیارهای استفاده از فرآیند تقطیر واکنشی در تولید مواد ………………………………………………………..10
1-6 کاربردهای فرآیند تقطیر واکنشی …………………………………………………………………………………..12
1-6-1 تولید TAME و اترها ………………………………………………………………………………………………..13
1-6-2 آبدهی به الفین ها ………………………………………………………………………………………………..13
1-6-3 آبگیری از الکل ها ………………………………………………………………………………………………….13
1-6-4 الکیلاسیون بنزن …………………………………………………………………………………………………..13
1-6-5 واکنش های الکیلاسیون …………………………………………………………………………………………..13
1-6-6 واکنش تراکمی آلدول ……………………………………………………………………………………………..13
1-6-7 استری شدن و هیدرولیز ………………………………………………………………………………………….13
1-6-8 هیدرولیز اپوکسیدها ……………………………………………………………………………………………….13
1-6-9 الیگومریزاسیون الفین ها …………………………………………………………………………………………..13
1-6-10 هیدروژناسیون ……………………………………………………………………………………………………..13
1-6-11 افزایش الکل ها و آلدئیدها ………………………………………………………………………………………..13
1-6-12 افزایش آمین ها به کتون ها ………………………………………………………………………………………13
1-6-13 تولید نایلون 6 و6 …………………………………………………………………………………………………..14
1-6-14 سایر واکنشها ……………………………………………………………………………………………………….14
1-7 ملاحظات مکانیکی برجهای تقطیر واکنشی ………………………………………………………………………….15
1-8 برج های پرشده کاتالیستی تقطیر واکنشی …………………………………………………………………………16
1-9 پیچیدگی های فرآیند تقطیر واکنشی ………………………………………………………………………………..21
1-10 طراحی مفهومی RD …..ا……………………………………………………………………………………………23

فصل دوم

2-1 مدلسازی برج های تقطیر ……………………………………………………………………………………………..28
2-2 مقایسه میان مدلهای تعادلی و غیرتعادلی ………………………………………………………………………….32

فصل سوم

3-1 مدلسازی تعادلی مرحله ای پایا ……………………………………………………………………………………37
3-2 مدلسازی غیرتعادلی . مرحلهای پایا ………………………………………………………………………………40
Design mode -1-2-3…….ا………………………………………………………………………………………………49
.3-2-1-1 روش کسر طغیان ………………………………………………………………………………………………50
.3-3 نامگذاری …………………………………………………………………………………………………………….53

فصل چهارم

.4-1 استفاده از اترها ………………………………………………………………………………………………………..56
.4-2- مطالعات تئوری و آزمایشگاهی صورت گرفته ………………………………………………………………………58
.4-3- شرح فرآیند …………………………………………………………………………………………………………….60
.4-4- سینتیک و ترمودینامیک واکنش ……………………………………………………………………………………..60
.4-5 اصول طراحی مفهومی سیستم تولید TAME از طریق تقطیر واکنشی …………………………………………63
.4-7 فشار عملیاتی………………………………………………………………………………………………………….65
.4-8 مکان منطقه واکنشی …………………………………………………………………………………………………67
.4-9 نسبت واکنشگرها و منطقه ورود خوراک ……………………………………………………………………………68
.4-10 میزان کاتالیست ……………………………………………………………………………………………………69
.4-11 تعداد مراحل تئوری …………………………………………………………………………………………………71
.4-12 ارتفاع بخش واکنشی و قطر برج …………………………………………………………………………………..73
.4-13 نسبت جریان برگشتی ………………………………………………………………………………………………74
.4-14 ارتفاع واقعی سینی ها / پرکن ها …………………………………………………………………………………75
4-15 فرآیند تحت بررسی: تولید ترشیو آمیل متیل اتر …………………………………………………………………..76
4-15-1 واکنش های اصلی و فرعی صورت گرفته در تولید TAMEا …………………………………………………….77
4-15-2 تشریح سینتیک و ترمودینامیک واکنش های اصلی و جانبی ………………………………………………….78
4-15-3 اصول و فرضیات مسأله ……………………………………………………………………………………………85
4-15-4 کاربرد اصولی طراحی ارائه شده …………………………………………………………………………………89

فصل پنجم

5-1 مقدمه …………………………………………………………………………………………………………………….94
5-2 معادلات مدل سازی تعادلی ستون پرکن ……………………………………………………………………………..94
5-3 معادلات مدلسازی غیرتعادلی ستون پرکن …………………………………………………………………………..95
5-4 فرضیات بکار رفته جهت شبیه سازی فرآیند ………………………………………………………………………….96
5-5 مشخصات ستون پرکن …………………………………………………………………………………………………..97
5-6 شبیه سازی تعادلی Rad frac ا………………………………………………………………………………………..100
5-6-1 شبیه سازی با نرم افزار Aspen Plus – حالت اول ………………………………………………………………..100
5-6-2 شبیه سازی با نرم افزار Aspen Plus – حالت دوم ………………………………………………………………..114
5-6-3 شبیه سازی با نرم افزار …………………………………………….Hysys ..ا…………………………………………..116
5-7- نامگذاری …………………………………………………………………………………………………………………122

فصل ششم

6-1 نتیجه گیری ……………………………………………………………………………………………………………..125
6-2 پیشنهادات ………………………………………………………………………………………………………………126
منابع ………………………………………………………………………………………………………………………….128

فهرست جداول

جدول 1-1 برخی واکنش های شیمیایی مناسب برای فرآیند تقطیر واکنشی ………………………………………..14
جدول3-1 نام تصحیحات انتقال جرم برحسب نوع برج …………………………………………………………………….45
.جدول 3-2 تصحیحات افت فشار……………………………………………………………………………………………..47
.جدول 3-3 تعداد و نوع معادلات مدل غیرتعادلی……………………………………………………………………………48
جدول 3-4 داده های لازم برای طراحی سینی ……………………………………………………………………………..50
جدول 4-1 خواص نوعی برخی از اترها و الکل های سوختی ……………………………………………………………..56
جدول 4-2 میزان تولید سالیانه ETBE ،MTBE و TAME…ا………………………………………………………………….58
جدول 4-3 خلاصه ای از مطالعات صورت گرفته………………………………………………………………………………59
جدول 4-4 پارامترهای سینتیکی واکنش تولید TAME..ا……………………………………………………………………..80
جدول 4-5 درصد تبدیل تعادلی به عنوان تابعی از دما در واکنش TAME.ا…………………………………………………81
جدول 4-6- ترکیب درصد جریان خوراک C5…ا…………………………………………………………………………………82
جدول 4-7 آزئوتروپ های موجود در مخلوط واکنش TAME8…ا……………………………………………………………..83
جدول 4-8 پارامترهای دوتایی با استفاده از معادله UNIQUAQ..ا………………………………………………………….84
جدول 4-9 مشخصات طراحی برای سیستم TAME…ا………………………………………………………………………85
جدول 4-10 موزانه مواد در فرآیند تقطیر واکنشی TAME…ا…………………………………………………………………86
جدول 4-11 پارامترهای عملیاتی و طراحی تقطیر واکنشی تولید TAME….ا………………………………………………88
جدول 4-12 پارامترهای عملیاتی و طراحی به عنوان تابعی از فشار ……………………………………………………….90
جدول 4-13- مقدار متانول موردنیاز برای انجام واکنش و تشکیل آزئوتروپ ……………………………………………….92
جدول 5-1 مشخصات و داده های سنتز ترشری آمیل متیل اتر …………………………………………………………….99
جدول 5-2 مشخصات محصولات بالا و پایین برج ………………………………………………………………………….101
جدول 5-3 مشخصات محصولات بالا و پایین برج ………………………………………………………………………….115
جدول 5-4 مشخصات ورودی و خروجی از برج پرکن …………………………………………………………………….117
جدول 5-5 مشخصات خروجی ها از بالای برج …………………………………………………………………………..117
جدول 5-6 مشخصات خروجی ها از انتهای برج ………………………………………………………………………….117

فهرست اشکال

.شکل 1-1 یک فرآیند معمولی شامل مراحل واکنش و جداسازی……………………………………………………………7
.شکل 1-2 روش تقطیر واکنشی که برای فرآیند شکل 1-1 بکار گرفته شده است………………………………………..8
.شکل 1-3 دو آرایش عملیاتی در فرآیند تقطیر واکنشی………………………………………………………………………9
.شکل 1-4 ترکیب روش تقطیر واکنشی با فرآیند معمولی……………………………………………………………………10
.شکل 1-5 انواع رژیم های جریان بر روی سینی………………………………………………………………………………15
.شکل 1-6 برج سینی دار تقطیر واکنشی……………………………………………………………………………………16
.شکل 1-7 برج پرکن تقطر واکنشی……………………………………………………………………………………………17
.شکل 1-8 پرکن های تقطیر واکنشی………………………………………………………………………………………..18
.شکل 1-9 پرکن های تقطیر واکنشی………………………………………………………………………………………..18
.شکل 1-10 پرکن تقطیر واکنشی……………………………………………………………………………………………19
.Flexipac شکل 1-11 پرکن…………………………………………………………………………………………………….20
.KATAPAK-Sشکل 1-12 پرکن…………………………………………………………………………………………………21
.MULTIPAC شکل 1-13 پرکن………………………………………………………………………………………………….21
.شکل 1-14 فرآیند انتقال درRD..ا……………………………………………………………………………………………..21
.شکل 1-15 تغییرات ……………………………………………………………………………………………………………22
.شکل 1-16 مراحل طراحی مفهومی ……………………………………………………………………………………….24
شکل2-1 تصویر یک برج جداسازی در واحد صنعتی و مراحل موجود در آن……………………………………………..28
شکل2-2 الگوی جریان بر روی سینی یک برج تقطیر………………………………………………………………………29
2-3 نمایی از یک مرحلۀ غیرتعادلی (مرحله واقعی) ……………………………………………………………………..33
2-4 خواص فیزیکی مورد نیاز مدل تعادلی (راست) و مدل غیرتعادلی (چپ) ……………………………………………34
2-5 معادلات مورد استفاده در مدل تعادلی (راست) در مدل غیرتعادلی (چپ) ………………………………………..34
.شکل2-6 ساختار موازنه غیرتعادلی . مرحلهای جداسازی واکنشی ………………………………………………….35
شکل 3-1 (نمایی از یک مرحله تعادلی) ………………………………………………………………………………….38
شکل 3-2 نمایی از یک مرحله غیرتعادلی با تمامی جریانهای ورودی و خروجی…………………………………… 41
شکل 4-1 روش متداول تولید TAME ا…………………………………………………………………………………..57
کل 4-2 میزان تشکیل MTBE را به صورت درصدی از تبدیل تعادلی در دماهای متفاوت ………………………….. 64
شکل 4-3 نمای کلی فرآیند تولید TAME از متانول و برش پنج کربنه واحد ………………………………………………86
شکل 4-4 نمودار میزان تشکیل TAME بر حسب درصد تبدیل ایزو آمیلین در دماهای متفاوت …………………… 89
.Felexipac-2Y شکل 5-1 پرکن های………………………………………………………………………………………98
کل 5-2 نمای کلی برج تقطیر واکنشی در حالت اول ………………………………………………………………….100
شکل 5-3-الف پروفایل کسر مولی مواد اولیه و محصول دو فاز مایع ………………………………………………… 103

شکل 5-3-ب توزیع غلظت مواد اولیه و محصول در فاز مایع……………………………………………………………103
شکل 5-4-الف پروفایل کسر مولی مواد اولیه و محصول در فاز بخار……………………………………………………104
کل 5-4-ب توزیع غلظت مواداولیه و محصول در فاز بخار…………………………………………………………………..104
شکل 5-5 پروفایل کسر مولی TAME و ایزو پنتان (برگرفته از مقاله در مقایسه با نتایج نرم افزار)………………….105
شکل 5-6 پروفایل کسر مولی 2M2B و متانول (برگرفته از مقاله در مقایسه با نتایج نرم افزار)…………………….105
شکل 5-7 توزیع دما………………………………………………………………………………………………………….106
شکل 5-8 توزیع دما در طول برج برگرفته از مقاله در مقایسه با نتایج نرم افزار ………………………………………106
5-9-الف پروفایلهای دبی مولی …………………………………………………………………………………………….107
5-9-ب چگونگی توزیع دبی مولی در طول برج …………………………………………………………………………..107
5-10 فراریت محصول بر حسب MeOH …ا………………………………………………………………………………108
.شکل 5-11 پروفایل تغیرات k-value….ا…………………………………………………………………………………109
.شکل 5-12 پروفایل فاکتور جداسازی…………………………………………………………………………………….110
.شکل 5-13 پروفایل جرم وارد و خارج شده …………………………………………………………………………….110
.شکل 5-14 پروفایل دانسیته وارد و خارج شده…………………………………………………………………………110
.شکل 5- 15پروفایل های پارامتر جریان و سرعت ناودانی……………………………………………………………..111
شکل5-16 پروفایلهای کشش سطحی …………………………………………………………………………………111
شکل 5-17 پروفایل های جرم مولکولی ………………………………………………………………………………… 111
.شکل 5-18 پروفایل های دانسیته………………………………………………………………………………………..112
.شکلهای 5-19 پروفایل های افت فشار………………………………………………………………………………….112
.شکلهای 5-20 پروفایل های افت فشار نسبت به ارتفاع………………………………………………………………113
شکل 5-21 ظرفیت جزئی و ارتفاع پرکن…………………………………………………………………………………..113
شکل 5-22 مشخصات کندانسور ………………………………………………………………………………………….113
شکل 5-23 مشخصات ریبویلر ………………………………………………………………………………………………113
.شکل 5-24 نمای کلی برج تقطیر واکنشی در حالت دوم……………………………………………………………….115
.شکل 5-25-الف کسر مولی عناصر در فاز مایع……………………………………………………………………………116
.شکل 5-25-ب کسر مولی عناصر در فاز بخار …………………………………………………………………………….116
.شکل 5-26 نمای کلی فرآیند تولید TAME در نرم افزار Hysys .ا………………………………………………………..116
.شکل 5-27 پروفایل دما در طول برج ……………………………………………………………………………………….119
.شکل 5-28 درصد مولی مواد اولیه و محصول در طول برج در فاز مایع………………………………………………….119
.شکل 5-29 درصد مولی مواد اولیه و محصول در طول برج در فاز بخار………………………………………………….120
5-30 نمودار تغییرات K-value بر حسب stage برای واکنشگرها و محصول …………………………………………..120
5-31 شدت جریان مولی در فاز مایع و بخار ………………………… ………………………………………………….121
5-32 تغییرات جرم ملکولی و دانسیته در طول برج ……………………………………………………………………..121

فصل اول
1-1 هدف از تحقیق:
هدف از این تحقیق که در پیش روی شماست مدلسازی و شبیهسازی فرآیند تقطیر واکنشی می باشد. یکی ازعملیاتهای مهم در صنایع شـیمیایی تقطیـر واکنـشی اسـت. ایـن فرآینـد از ادغـام رآکتـور شـیمیایی و بـرججداسازی حاصل شده که به علت تقابل انتقال جرم و سینتیک واکنش جـزء فرآینـدهای پیچیـده شـیمیاییتلقی می شود. این عملیات در بهبود اقتصاد فرآیند نقش به سزایی داشته و بـه ویـژه بـرای واکنـشهایی کـه ازمحدودیت تعادل برخوردار هستند، فوق العاده کاربردی بوده که در صورت طراحـی دقیـق، بـه درصـد تبـدیلمناسبی از محصول دست خواهیم یافت.
در این پروژه مدلسازی برجهای تقطیر از دو منظر مختلف و کاربردی مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد. یکی دیدگاه مدل سازی تعادلی ستونهای تقطیر است که بر پایۀ وجود تعادل ترمودینامیکی در هر مرحله می باشد ودیگری دیدگاه غیرتعادلی است که از فرض تعادل مرحله ای استفاده نکرده و اثر انتقال جرم ، انـرژی و حـرارترا پایه مدلسازی خود قرار می دهد.
در ادامه اصول طراحی مفهومی فرآیند تولید ترشری آمیل متیل اتر به عنوان سیستم تحت بررسـی اسـتخراجشده و از اطلاعات بدست آمده از طراحی مفهومی جهت شـبیه سـازی تولیـد ایـن مـاده توسـط دو نـرم افـزارکاربردی Aspen plus 11 و Hysys 3.0.1 استفاده شده که در نهایت نتایج بدست آمده از این شبیه سازی در فصل پنجم ارائه شده است.

1-2 پیشینۀ تحقیق:
اولین مورد گزارش شده استفاده از فرآیند تقطیر واکنشی، تولید مداوم استرها بود که در سال 1920 توسـطBackhaus در آمریکا بصورت اختراع به ثبت رسانده شد [1]. پس از وی افراد دیگری نیز به طـور پراکنـده ازاین فرآیند استفاده کردهاند [3 و 2]. در سال 1971،Sennewald و همکاران، فرآینـد جدیـدی را بـه ثبـترساندند که در آن برای اولین بار از کاتالیست جامد در یک برج تقطیر استفاده شده بود [4].
اما اولین کسی که اهمیت فرآیند تقطیر واکنشی را در تولید مواد مختلف اعـلام کـردL.A.Smith از شـرکتCR&L آمریکا بود. در سال 1982 وی و همکارانش اولین واحد تولیدMTBE به روش تقطیر واکنـشی را درمقیاس صنعتی به راه انداختند [5]. همزمان با راه اندازی این واحد وی در چند مقاله به معرفی فرآیند جدیـدو مزایای آن پرداخت [6]. ازجمله مهمترین مزایای ذکر شـده، کـاهش حجـم تجهیـزات فرآینـدی و کـاهشهزینه های عملیاتی بود. همین مسئله توجه شرکت های شیمیایی را به فرآیند مذکور جلب کرد.
همچنین مطالعات طراحـی، مدلـسازی و شـبیهسـازی صـورت گرفتـه بـر روی سـنتز ترشـری آمیـل متیـلاتر(TAME) که به عنوان فرآیند تحت بررسی در این تحقیق مطرح می شود اولین بـار توسـطMohel et al. در سال 1997 در اشل پایلوت در دانشگاه Clausthal انجام پذیرفت [7].
sundmacher et al. در سال 1999 مطالعات قابل ملاحظه ای با استفاده از کاتالیست های همـوژن و هتـروژنبرای چندین مدل در اشل پایلوت صورت داد. نتایج آزمایـشگاهی بدسـت آمـده بیـانگر ایـن مطلـب بـود کـهملاحظات صورت گرفته در خصوص واکنشهای جانبی و مدلسازی ساختار داخل کاتالیست نقـش مهمـی در چگونگی نتایج آزمایشگاهی ایفاد می کند [8].
در سال 1999 اصول طراحی سیستم تقطیر واکنشی بـا اسـتفاده از کاتالیـست جامـد جهـت تولیـدTAME توسط subawalla and Fair بصورت کاملی ارائه شد که در فصل چهارم به این موضوع خواهیم پرداخت [9].

Baur et al در سال 2001 مدل غیرتعادلی دینامیکی را برای تولید این ماده در برج تقطیر واکنشی ارائـه داد .
او جهت تشریح انتقال جرم مابین فازهای سیال از معادلات Maxwell-Stefan استفاده کرد و بـا اسـتفاده ازنتایج آزمایشگاهی بدست آمده توسـطMohel et al ، آنالیزهـایbifurcation را در هـر دو حالـت سـینتیکی هتروژن و نیمه هموژن انجام داد [10].
در ادامه در سال 2002، R.Baur و R.Krishna برج تقطیر واکنشی تولیـدTAME را در دو حالـت تعـادلی وغیر تعادلی به منظور انتخاب سخت افزار و مشخصات فرآیندی مدلسازی کرده و از طریق نرم افـزارgPROMs حل کرده اند [11].

1-3 توصیف فرآیند:
تقطیر واکنشی عبارتست از انجام همزمان واکنش شیمیایی و تقطیر چند مرحلهای در یـک بـرج، (در برخـیمنابع از عبارت تقطیر کاتالیستی نیز برای معرفی این فرآیند استفاده مـی شـود چـرا کـه در بـسیاری مـوارد، واکنشهای موردنظر در حضور کاتالیست جامد انجام می شوند.) این واحد عملیاتی ترکیبی مخـصوصاً بـرای آندسته از واکنشهای شیمیایی مناسب است که در آنها تعادل شیمیایی، میزان تبدیل در یک راکتور را محـدودمی کند. با جداسازی مداوم محصولات از واکنش کنندگان در هنگامی که واکنش در حال انجام است، می تـوانتبدیل را از حدی که تعادل شیمیایی معین می کند فراتر برد. تقطیر واکنـشی را در حـضور کاتالیـست جامـدمی توان به شکل های مختلفی انجام داد. در یک شکل آن، واکنش شیمیایی کاتالیستی و تقطیر چند مرحله ای بطور همزمان در یک محیط پیوسته انج ام می شود. یعنی از این نظر یـک پیوسـتگی فـضایی در طـول سـتونوجود دارد (هم واکنش و هم تقطیر در مقاطع کوچک برج انجام می شوند). در شکل دیگـر، واکـنش و تقطیـردر مراحل متناوب انجام می شود. این دو مرحله بصورت متناوب در داخل یـک بـرج تعبیـه شـده انـد . البتـه ازطریق کوچک کردن حجم این مراحل می توان شکل دوم را بـه شـکل اول نزدیـک سـاخت. در هـر دو شـکلمی توان یک قسمت تخلیص در بالای قسمت تقطیر واکنشی و یک قسمت عریان سازی در پـایین آن قـرار دادتا بتوان به محصولاتی با خلوص بسیار بالا رسید.
آرایش معمول تجهیزات، برای فرآیندی که شامل واکنش شیمیایی در حضور کاتالیست جامد اسـت در شـکل 1-1 نشان داده شده است. در مرحله واکنش شیمیایی، واکنش کنندگان در یک یا چند راکتـور بـا کاتالیـست
جامد تماس حاصل کرده و واکنش حداکثر تا حد تعادل شیمیایی پیش می رود. جریانی که از مرحله واکـنش خارج می شود، وارد یک یا چند مرحله جداسازی میشود تا مواد واکـنش نکـرده مجـدداً بـه مرحلـه واکـنش برگشت داده شوند. در صورتیکه مقدار زیادی مواد خنثی همراه جریان های خوراک باشـد، حـداقل دو مرحلـه جداسازی مورد نیاز است، یکی برای جداسازی محصول با خلوص بالا و دیگری برای جداسازی مـواد واکـنشنکرده از مواد خنثی . فرآیند جداسازی انتخاب شده عموماً فرآیند تقطیر است. در فرآیندی کـه در شـکل 1-1 نشان داده شده است فراریت محصول واکنش کمتر از واکنش کنندگان و مواد خنثی است.
اگر بخواهیم همین فرآیند را با روش تقطیر واکنشی انجام دهیم. آرایشی مطـابق آنچـه در شـکل 1-2 نـشانداده شده است لازم است که در آن قسمت میانی ستون برای انجام توامان واکنش تقطیر در نظر گرفته شـده است. برای سیستم های شامل غیر آزئـوتروپ، جداسـازی مـواد خنثـی در قـسمت تخلـیص سـتون و تخلیـلمحصول در قسمت عریان سازی ستون انجام می شود.

تولید ترشری آمیل متیل اتر ( به همراه شبیه سازی)

تولید ترشری آمیل متیل اتر ( به همراه شبیه سازی)

فصل دوم

منظور از تعادل در این حالت همان تعادل ترمودینامیکی است که بیانگر برابری پتانـسیل شـیمیایی و دمـای هر دو فاز مایع و بخار در عمل تقطیر می باشد. به این معنی که جریان بخار خروجی از هر مرحلـه بـا جریـانمایع خروجی از همان مرحله در تعادل ترمودینامیکی قرار دارد (شکل2-1). همانطورکه می دانیم در حقیقـتاین فرض برای برجهای سینیدار و برجهای پرکن همواره فرض صحیحی محـسوب نمـی شـود، زیـرا در اکثـراوقات مقاومت موجود در قبال انتقال جرم به ندرت اجازه تعادل ترمودینـامیکی بـین فازهـا را مـی دهـد . ایـنمشکل باعث شده تا مهندسین شیمی برای حل آن از مفهوم راندمان یا“efficiency” در هر مرحله اسـتفاده
کنند. راندمان در واقع به عنوان پل ارتباطی میان مرحله تعادلی و سـینی واقعـی محـسوب شـده و همچنـینمعیاری برای محدود کردن تعادل روی سینی به شمار مـی رود. رانـدمان مـورفری از همـین ایـده سرچـشمهمی گیرد. در زیر رابطۀ راندمان مورفری و در شکل 2-2 وضعیت بخـار و مـایع بـر روی یـک سـینی واقعـی رامشاهده می کنید. (رابطه 2-1 راندمان مورفری فاز بخار است)

شکل2-2الگوی جریان بر روی سینی یک برج تقطیر

Ei,mv = yy*iLiL −− yyiEiE (1-2)
رابطۀ 2-1 یکی از معروفترین روابط راندمان برای برجهای جداسازی است، y*il بیانگر رابطۀ سـینی واقعـی بـاتعادل می باشد. این راندمان مشکل فرض تعادل را به خوبی حل کرده و به کمک آن عملکرد بـرج هـا تخمـینزده می شود.
راندمان برای سیستم های دو جزئی بسیار خوب عمل میکند، اما در سیستمهـای چنـدجزئی دچـار مـشکلمی شود، زیرا در این نوع سیستم ها راندمان برای همۀ ترکیب ها متفـاوت اسـت و در طـول بـرج از سـینی بـهسینی دیگر و از نقطه ای به نقطه دیگر دچار تغییر می گردد. به علت وجود همین مـشکل اسـت کـه محاسـبهراندمان برای سیستم های چندجزئی به سختی انجام گرفته و همراه با خطا می باشد.
برای برجهای پرکن نیز به جای راندمان مورفری از مفهومHETP (ارتفاع معادل یک سینی تئـوری) اسـتفادهمی کنیم. در واقعHETP بخشی از ارتفاع برج بوده که بر اساس وجود تعادل ترمودینامیکی پایه ریزی می شود.
HETP نیز همانند راندمان مورفری مفهـومی کـاملاً فیزیکـی بـوده، کـه مـشکلات مربـوط بـه تعـادل بـرایسیستمهای دو جزئی را به خوبی حل کرده ولی برای سیستمهای چند جزئی برجهای پرکن چندان کـار آمـدنیست. زیراHETP نیز در طول برج دائماً در حال تغییر است و محاسبۀ آن برای سیستمهای بیش از دو جزءمشکل و همراه با خطای زیادی است.
برای حل این مشکل و ناکارآمدی راندمان و HETP در سالهای اخیر از مفهوم مدلسازی غیرتعـادلی یـاRate based استفاده می کنند.
در این مدل هر مرحله به عنوان یک سینی واقعی در برج سینی دار و در برج پرکن مقطعی از برج(segment) به طور کاملاً واقعی در نظر گرفته میشود. در این حالت فرض تعادل بین فازها کاملاً منتفی شـده و فقـط دراین مدل تعادل ترمودینامیکی در فصل مشترک بین دو فاز رعایت می گردد.
یک مدل غیرتعادلی موازنه جرم و انرژی را در هر فاز به طور جداگانه مطرح میسازد و فرآیند انتقـال جـرم وانرژی را به طور کاملاً مستقیم بر اساس معادلات Rate جرم و انرژی بیان می کند.
نام Rate-based model نیز بر همین اساس می باشد، یعنی مدلی که بـر پایـه میـزان انتقـال جـرم و انـرژیمی باشد نه بر اساس تعادل.
این قبیل مدلها برای اولینبار توسط [15] Krishna-Taylor در سال 1985 برای شبیهسازی مورد اسـتفادهقرار گرفت.
این مدلها هم در فرآیندهای ناپیوسته (مانند تقطیـر اسـتخراجی، تقطیـر(..,conventional بـه کـار گرفتـهمی شوند و هم در فرآیندهای پیوسته مانند تقطیر و جذب در برج های پرکن کاربرد دارند.
یکی دیگر از ویژگی های این مدل مشخص کردن فشار موجود روی تمام مراحل است همـانطور کـه مـی دانـیمافت فشار برج تابعی از نوع سینی یا پرکن، طراحی سینی و پرکن و به طور کلی شرایط هیدرولیکی می باشـد .
در مدلهای تعادلی اثر هیدرولیک برج به خوبی بر انتقال جرم مشخص نمیشود ولی در مدلی که توسط [16] Krishna وTaylor در سال 1994 تحت عنوان نسل دوم مطرح شد، اشاره ای به طور کامل بر فشار در برجهـاداشت. در این مدل فشار کندانسور و بالای برج مورد بررسی قرار گرفته است. فشار هر مرحله بـا اسـتفاده ازافت فشار همان مرحله و فشار مرحله بالاتر قابل محاسبه است.
در سال 1992 [17] Taylor نتایج شبیه سازی برجهای نیمه صنعتی که توسط مدل غیرتعادلی بدست آمـدهبودند را در مقایسه با مدل تعادلی بسیار موفقیتآمیز دانست . در ضمن دقت نتایج این مدل را هم کاملاً بالاتراز نتایج مدل تعادلی بیان کرد.
مزایای مدلسازی غیرتعادلی به شرح زیر است:
1- نیازی به حدس تعداد مراحل تعادلی نداشته و موقعیت نقطه خوراک خیلی مهم نیست.
2- نیازی به محاسبه راندمان و HETP نداریم.
3- با بکار بردن اثر انتقال جرم به جای تعادل ترمودینامیکی یک مرحله واقعی مدل می شود که بـا توجـهبه این امر نتایجی خیلی دقیق بدست می آید.
کاربردهای عمومی مدل غیرتعادلی نیز به شرح زیر است.
1- (Reactive Distillation) برجهای تقطیر واکنشی
2- سیستم های غیر ایده آل
3- trace component سیستم های شامل
4- برجهایی که دارای پروفایلهای ماکزیمم با تغییرات خیلی سریع در بخشهای کوچکی از پروفایلهای خودمی باشد. (رفتار غیر ایده آل یا آزئوتروپیک)
5- برجهایی با خوراک چندگانه و یا دارای side stream
6- در برجهای دوجزئی که راندمان آنها غیرقابل تشخیص می باشد.
مدلهای غیرتعادلی همچنین برای تجزیه و تحلیل مشکلات طراحی و عملیاتی بسیار مناسب هستند زیرا آنهـانیاز به پارامترهای طراحی موجود دارند، در نتیجه مدلهای غیرتعادلی برای معرفی کردن پارامترهـای طراحـیکه عملکرد برج را بهینه می سازند بسیار مؤثر هستند.
مدلهای غیرتعادلی همچنین به اطلاعاتی پیرامون ساختار برج برای محاسبۀ پارامترهایی از قبیل ضریب انتقالجرم و انرژی نیاز دارند. این پارامترها از طریق تصحیحات مختلف بیان می گردند که محاسـبۀ معـادلات مـدلنیز به کیفیت این تصحیحات بستگی دارد. اغلب اختلافات میان مدلهای غیرتعادلی ارائه شده بر مبنای همینتصحیحات می باشد.
البته همانطور که ذکر کردیم نتایج مدلهای غیرتعادلی بیشتر از نتایج مدلهای تعادلی دقت دارد.

2-2 مقایسه میان مدلهای تعادلی و غیرتعادلی
معادلاتی که برای مدلکردن تعادلی مورد استفاده قرار می گیرند، MESH نامیده میشوند که MESH مخففانواع معادلات بکار رفته به شرح زیر است. (شکل2-5)
1- M: نشان دهنده معادلات جرم
2- E: نشان دهنده روابط تعادلی (جریان های مایع و بخار خارج شده از هر مرحله در تعادل با هم هستند.)
3- S: نشان دهنده روابط کسر مولی های مایع و بخار(روابط مجموع کسر مولی ها)
4- H: نشان دهنده معادلات مربوط به موازنه انرژی یا آنتالپی
اما معادلاتی که برای مدل کردن غیرتعادلی مورد استفاده قرار می گیردMERSHQ نامیده میشود که مخفـفمعادلات زیر می باشد: (شکل2-5)
1- M: بیانگر معادلات موازنه جرم برای هر فاز
2- E: بیانگر معادلات انرژی برای هر فاز
3- R: بیانگر معادلات مربوط به Rate انتقال جرم و حرارت
4- S: بیانگر معادلات مجموع (مربوط به کسر مولی ها)
5- H: بیانگر معادلات مربوط به هیدرولیک برج که عمدۀ آنها افت فشار می باشد
6- Q: بیانگر معادلات مربوط به تعادل در فصل مشترک بین دو فاز
شکل2-3 نحوۀ انتقال جرم و پارامترهای اساسی انتقال جرم میان دو فاز که در مدل غیرتعادلی دارای اهمیتاست را نشان می دهد.

شکل 2-3 نمایی از یک مرحلۀ غیرتعادلی (مرحله واقعی)
در مدلسازی تعادلی معادلات در هر مرحله نوشته می شود و مجموع موازنه های بدست آمده برای کـل مرحلـهمورد استفاده قرار میگیرد. در مورد معادلات انرژی نیز به همین صورت می باشد. در مدل غیرتعادلی معادلاتموازنه برای هر فاز به طور جداگانه نوشته می شود، چه جرم و چه انرژی.
در مدلسازی غیرتعادلی با چالش های انتقال جرم و انرژی در فصل مشترک رو به رو می شویم کـه بـرای حـلاین مشکل می توان تعادل ترمودینامیکی در فصل مشترک که فرض نادرستی به شمار نمی رود را به کار ببریم.
خواص فیزیکی مورد نیاز برای مدل غیرتعادلی در قیاس با مدل تعادلی بسیار بیـشتر اسـت، شـکل 2-4 ایـنمسأله را به خوبی نشان می دهد.
شکل های4 و 5 پیچیدگی مدل غیرتعادلی و به کار بردن خواص و معادلات فراوان کـاملاً مـشخصاست. شکل 2-6 یک مرحله غیرتعادلی را که هم واکنش و هم جداسازی در آن انجام می گیرد، نشان می دهـد . ایـنشکل نیز پیچیدگیهای مدل غیرتعادلی و تمامی پارامترهـای آن را مـشخص مـی سـازد . (در فـصل سـ وم ایـنساختار موازنه به طور کامل توضیح داده می شود)


مقطع : کارشناسی ارشد

قیمت 25 هزار تومان

250,000RIAL – اضافه‌کردن به سبدخرید

خرید فایل pdf به همراه فایلword

قیمت:35هزار تومان

350,000RIAL – اضافه‌کردن به سبدخرید