مقاله کامل شبیه سازی ستون تقطیر با دیواره جداکننده (DWC) به عنوان یک روش انتگراسیون فرایند به منظور ارتقاء راندمان انرژی برای جداسازی یک خوراک سه جزئی

شبیه‌سازی ستون تقطیر با دیواره جداکننده (DWC)به عنوان یک روش انتگراسیون فرایند به منظور ارتقاء راندمان انرژی برای جداسازی یک خوراک سه جزئی
چکیده
تقطیر بدون شک متداولترین فرایند جداسازی مورد استفاده در صنایع شیمیایی میباشد. اگر چه تقطیر یک فرایند بالغ محسوب میشود، اما باید در نظر داشت که با مصرف زیاد انرژی همراه است. بر اساس گزارشها تقطیر به تنهایی 40 درصد انرژی مورد استفاده در صنایع شیمیایی را در دنیا مصرف میکند. تقطیر حدود 95 درصد فرایندهای جداسازی مایع و گاز را در صنایع شیمیایی به خود اختصاص داده است. میزان مصرف انرژی برجهای تقطیر در دنیا 3 درصد مصرف انرژی دنیا تخمین زده میشود. کاربرد آرایشهای پیچیده ستون تقطیر و انتگراسیون فرایند میتواند منجر به صرفهجویی اساسی در مصرف انرژی گردد. از این میان سیستم DWCیکی از روشهای انتگراسیون فرایند برجهای تقطیر محسوب میشود که در آن دو یا چند ستون تقطیر در یک ستون قرار میگیرد. این روش برای جداسازی مخلوطهای سه یا چند جزئی یکی از جذابترین روشها میباشد. زیرا میتواند منجر به صرفهجویی اساسی در هر دو مصرف انرژی و هزینه سرمایه گذاری گردد. در این مقاله شبیه سازی یک واحد تقطیر با دیواره جداکننده DWC به منظور کاهش مصرف انرژی صورت گرفته و میزان مصرف انرژی با سیستم تقطیر متداول مقایسه شده است. خوراک مورد بررسی شامل سه جزء متانول، 2-پروپانول و نرمال بوتانول است. ابتدا شبیه سازی سیستم متداول شامل دو ستون انجام گرفته است. برای شبیه سازی سیستم DWC از یک مدل شامل چهار برج شامل دو Absorber، یک Rectifier و یک Stripper و دو تقسیمکننده بخار و مایع استفاده
شده است. نتایج نشان میدهد که سیستم DWC در مقایسه با سیستم متداول دارای 95/19 درصد صرفه جویی برای بار حرارتی ری بویلر و 64/20 درصد صرفه جویی برای بار حرارتی کندانسور میباشد.
کلمات کلیدی: تقطیر، انتگراسیون فرایند، دیواره تقسیم کننده، ارتقاء راندمان انرژی.
1- مقدمه
فرایند تقطیر سهم مهمی در انرژی مصرفی صنایع شیمیایی دارد. این موضوع محققین را به سمت توسعه و بهبود راندمان انرژی این فرایند سوق داده است. سیستم DWC به منظور کاهش مصرف انرژی در ستونهای تقطیر امروزه مطرح است. در این سیستم یک دیواره تقسیم کننده یک ستون منفرد را به دو قسمت، یک قسمت پیش تفکیک کننده و یک ستون اصلی تقسیم میکند. این سیستم تنها یک ری بویلر و یک کندانسور دارد. شکل 1 سیستم DWC را نشان میدهد. این سیستم برای جداسازی مخلوطهای چند جزئی مورد استفاده قرار میگیرد. به این دلیل امروزه مورد توجه روزافزون محققین در زمینه علمی و صنعتی قرار گرفته است.
/
شکل 1 سیستم DWC
Adrian (2004)وهمکاران تجربیاتی در یک ستون DWCمینی پلانت آزمایشگاهی انجام دادند. مخلوط خوراک شامل بوتانول، پنتانول و هگزانول بود.Errico (2009) و همکاران سیستم DWC را از نقطه نظر صرفه جویی انرژی و هزینههای سرمایه گذاری مورد ارزیابی قرار دادند. در کار آنها خوراک شامل مخلوط پارافینهای نرمال از بوتان تا هپتان بود. Vargas (2009) و همکاران شبیه سازی سیستمهای مختلف DWC شامل دو ستون را برای جداسازی یک خوراک شامل 5 جزء بررسی کردند. Barroso- Mnnoz (2010) و همکاران مطالعه تجربی
روی افت فشار را در یک ستون تقطیر DWC از طریق تجربی بررسی کردند. Niggemann (2010)و همکاران جداسازی مخلوط سه تایی نرمال هگزانول، نرمال اکتانول و نرمال دکانول را بررسی کردند. Buck (2011)و همکاران مطالعات شبیه سازی و تجربی را برای جداسازی الکلهای چرب نرمال هگزانول، نرمال اکتانول و نرمال دکانول در ستون DWC انجام دادند. Kiss and Rewagad (2011) شبیه سازی حالت دینامیک یک سیستم DWC را بررسی کرد. آنها مخلوط بنزن، تولوئن و زایلن را در نظر گرفتند. Landaeta (2012) و همکاران جداسازی آروماتیکها را با استفاده از DWC و ستون تقطیر Kaibel شبیه سازی کردند. Long and Lee (2012) طراحی ساختاری DWC را با استفاده از روش RSM بررسی کردند. روش ارائه شده در طراحی و بهینه سازی یک فرایند تصفیه اسید استیک مورد استفاده قرار گرفت. سیستم DWC طراحی شده هزینههای سالیانه کل را تا 57/44% در مقایسه با تقطیر متداول کاهش داده است.Wang (2013) و همکاران ستون DWC را در تقطیر آنیلین شبیه سازی نمودند. Ge (2014) و همکاران بهینهسازی یک سیستم DWC را با استفاده از روش شبکه عصبی تابع شعاعی و آلگوریتم ژنتیک انجام دادند. Wang (2014) شبیه سازی و آنالیز حالت پایدار را در سیستم DWC اجرا نمود. خوراک مورد بررسی بنزن-تولوئن- زایلن بود. Fang (2015) و همکاران جداسازی مخلوط n- هگزان، n- هپتان و n- اکتان را در سیستم DWC از طریق شبیه سازی و تجربی مورد بررسی قرار دادند. Illner (2015) و همکاران مدلسازی و شبیه سازی یک ستون DWC را برای جداسازی اسید چرب بررسی کردند.Dung Nguyen (2015) طراحی مفهومی، شبیه سازی و صحت سنجی تجربی ستون DWC را بررسی کرد. Sun (2015) و همکاران مطالعه تجربی و شبیه سازی CFD تقسیم کننده بخار را در
ستون DWC پرشده مورد بررسی قراردادند. Khalili-Garakani (2016) و همکاران توالی ستونهای تقطیر سه جزئی را شامل آرایشهای ستونهای DWC مورد بررسی قرار دادند. Gor (2017) و همکاران جداسازی سیستم سه تایی بوتان- پنتان- هگزان را در سیستم DWC شبیه سازی کردند. Kim (2017) شبیه سازی سیستم DWC را برای واحد تقطیر نفت خام مورد بررسی قرار داد. Abid (2018) و همکاران بهینه سازی سیستم تقطیر دارای تقسیم کننده با چهار محصول را بهینه سازی کردند. Bernad-Serra (2018) و همکاران شبیه سازی و طراحی یک سیستم DWC را همراه با آنالیز یک وسیله تقسیم بخار بررسی کردند. سیستم مورد بررسی در کار آنها مخلوط بنزن، تولوئن، زایلن بود. Filho (2018) و همکاران بهینه سازی اجرای DWC را برای جداسازی مخلوطهای آروماتیک با استفاده از روش سطح پاسخ انجام دادند.
در این مقاله شبیه سازی یک سیستم متداول شامل دو ستون تقطیر و یک واحد تقطیر DWC برای جداسازی یک خوراک سه جزئی شامل متانول، ایزوپروپانول و نرمال بوتانول انجام گرفته و میزان مصرف انرژی دو واحد با یکدیگر مقایسه شده است.
2- مواد و روشها
نرم افزار Aspen Plus برای مدلسازی و شبیه سازی ستونهای تقطیر متداول و DWC استفاده شده است. مدل ترمودینامیکی NRTL برای مدلسازی ترمودینامیکی فرایندها استفاده شده است. مشخصات خوراک شامل درصد جرمی اجزاء 40، 30 و 30 درصد به ترتیب برای متانول، 2-پروپانول و بوتانول است. همچنین درجه حرارت و شدت جریان خوراک C0 70 وkg/h 3 است.
3- بحث و نتایج
1-3- حالت اول: سیستم شامل دو ستون تقطیر متداول
شکل 2 سیستم تقطیر متداول را برای جداسازی مخلوط سه جزئی نشان میدهد. سیستم دارای دو برج تقطیر است. خوراک وارد برج اول شده است. با توجه به نقطه جوش اجزاء، متانول به عنوان محصول تقطیر شده از بالای برج اول خارج میشود و محصول پائین برج اول شامل 2-پروپانول و n- بوتانول است. محصول انتهایی برج اول وارد برج دوم میشود که در آن 2-پروپانول از بالای برج دوم و n-بوتانول از پائین برج دوم خارج میگردد.
/
شکل 2 سیستم تقطیر متداول برای جداسازی مخلوط سه جزئی شامل دو ستون
شکل 3 تغییرات درجه حرارت را در مراحل مختلف در ستون اول در شرایط بهینه نشان میدهد. چنانکه مشاهده میگردد درجه حرارت با افزایش شماره مرحله افزایش یافته است. در مرحله شماره 17 نقطه شکست مشاهده میگردد که مربوط به محل ورود خوراک به ستون اول است از آنجایی که خوراک در درجه حرارت C0 70 وارد شده است و درجه حرارت آن بالاتر از درجه حرارت مرحله خوراک است افزایش در درجه حرارت مشاهده میگردد. پس از آن درجه حرارت افزایش مییابد که مربوط به روند تغییرات درجه حرارت در مراحل تقطیر به سمت ریبویلر است. این ستون مربوط به جداسازی متانول از مخلوط ایزوپروپانول و بوتانول میباشد.درجه حرارت بالای ستون 67/64 است که با نقطه جوش متانول 7/64 بسیار نزدیک است. درجه حرارت پائین ستون 27/95 میباشد که درجه حرارت مخلوط ایزوپروپانول و بوتانول است. شکل 4 تغییرات ترکیب
درصد اجزاء را در فاز مایع در مراحل مختلف در ستون اول در شرایط بهینه نشان میدهد. چنانکه مشاهده میگردد با افزایش شماره مرحله غلظت متانول به عنوان سبکترین جزء کاهش یافته است و غلظت بوتانول به عنوان سنگینترین جزء افزایش یافته است و غلظت ایزوپروپانول به عنوان جزء میانی ابتدا افزایش و سپس کاهش یافته است. در مرحله شماره 17 نقطه شکست مشاهدهمیگردد که مربوط به محل ورود خوراک به ستون اول است. از آنجایی که ترکیب درصد خوراک با ترکیب درصد اجزاء در مرحله شماره 17 متفاوت است منجر به تغییر در روند تغییرات ترکیب درصد اجزاء میگردد. غلظت متانول در بالای برج 986/0 میباشد که از محصول بالای برج خارج میگردد. غلظت ایزوپروپانول و بوتانول در محصول پائین برج برابر با 538/0 و 452/0 میباشد. شکل 4 تغییرات ترکیب درصد اجزاء را در فاز بخار در مراحل مختلف ستون اول نشان میدهد. چنانکه مشاهده میگردد روند تغییرات ترکیب درصد اجزاء در فاز بخار مشابه با تغییرات ترکیب درصد اجزاء در فاز مایع است.مقایسه بین شکل 4 و شکل 5مربوط به تغییرات ترکیب درصد اجزاء در فاز مایع و فاز بخار در مراحل مختلف ستون اول نشان میدهد که تغییرات روند ملایمتری داشته و در نقطه ورود خوراک (مرحله 17) نقطه شکست مشاهده نمیگردد. علت این امر آن است که خوراک به صورت مایع وارد سیستم میشود. این ستون مربوط به جداسازی ایزوپروپانول و بوتانول میباشد. ترکیب درصد ایزوپروپانول در محصول بالای برج 953/0 میباشد. غلظت بوتانول در محصول بالای برج 0297/0 و غلظت متانول در آن تقریبا صفر است. در محصول پائین برج ترکیب درصد بوتانول 975/0 و ترکیب درصد ایزوپروپانول 025/0 میباشد. شکل 6 تغییرات درجه حرارت را در مراحل مختلف در ستون دوم در شرایط بهینه نشان میدهد. چنانکه مشاهده می
گردد با افزایش شماره مرحله درجه حرارت افزایش یافته است. این ستون مربوط به جداسازی ایزوپروپانول و بوتانول است. درجه حرارت بالای ستون C0 02/82 است که به نقطه جوش ایزوپروپانول (C0 15/82) بسیار نزدیک است. درجه حرارت پائین ستون C0 86/118 میباشد که به نقطه جوش بوتانول (C0 75/118) بسیار نزدیک است. شکل 6 تغییرات ترکیب درصد اجزاء را در فاز مایع در مراحل مختلف در ستون دوم در شرایط بهینه نشان میدهد. چنانکه مشاهده میگردد ترکیب درصد متانول در تمام مراحل تقریبا صفر میباشد و ترکیب درصد بوتانول به عنوان سنگینترین جزء با افزایش شماره مرحله افزایش یافته است و در مرحله شماره 13 که از آن خارج میگردد 975/0 میباشد. ترکیب درصد ایزوپروپانول به عنوان جزء میانی با افزایش شماره مرحله کاهش یافته است و با غلظت 953/0 از بالای ستون خارج میگردد. شکل 8 تغییرات ترکیب درصد اجزاء را در فاز بخار در مراحل مختلف ستون دوم نشان میدهد. چنانکه مشاهده میگردد روند تغییرات ترکیب درصد اجزاء در فاز بخار کاملا مشابه با تغییرات ترکیب درصد اجزاء در فاز مایع است.
2-3- شبیه سازی سیستم DWC
شکل 9 دیاگرام مورد استفاده جهت شبیه سازی سیستم تقطیر DWC برای جداسازی مخلوط سه جزئی را نشان میدهد. سیستم دارای چهار برج تقطیر و دو توزیعکننده بخار و مایع میباشد. این چهار برج شامل دو Absorber، یک Rectifier و یک Stripper است. خوراک وارد Absorber1 میشود. محصول بالای برج به صورت بخار وارد Rectifier و محصول پائین آن به صورت مایع وارد Stripper میشود. محصول بالای برج Rectifier به عنوان محصول نهایی سیستم بوده و شامل سبکترین جزء از سه جزء
میباشد. محصول پائین Rectifier به صورت مایع بوده و وارد توزیعکننده مایع میشود و در توزیعکننده مایع به دو قسمت تقسیم شده که یک قسمت آن وارد Absorber1 و قسمت دوم آن وارد Absorber2 میشود. محصول پائین Stripper به عنوان محصول نهایی سیستم بوده و شامل سنگینترین جزء از سه جزء میباشد. محصول بالای Stripper به صورت بخار بوده و وارد توزیعکننده بخار میشود و در توزیعکننده بخار به دو قسمت تقسیم شده که یک قسمت آن وارد Absorber1 و قسمت دوم آن وارد Absorber2 میشود. ستون Absorber2 دارای دو محصول خروجی میباشد که محصول بالای آن به صورت بخار بوده و به ستون Rectifier وارد میشود. محصول پائین آن به صورت مایع بوده و به ستون Stripper وارد میشود. محصول جانبی آن به عنوان محصول نهایی سیستم بوده و شامل جزء میانی از سه جزء میباشد. ستون Absorber2 دارای دو ورودی به صورت مایع و بخار میباشد که به ترتیب از توزیع کنندههای مایع و بخار میباشند.
شکل 10 تغییرات درجه حرارت را در مراحل مختلف 4 قسمت ستون DWC در شرایط بهینه نشان میدهد. چنانکه مشاهده میگردد درجه حرارت با افزایش شماره مرحله افزایش یافته است. اختلاف کمی در درجه حرارت مراحل مختلف دو قسمت موازی ستون شامل Absorber1 و Absorber2 مشاهده میگردد.همچنین مشاهده میگردد که شکل عمومی نمودار S شکل است. قسمت بالای نمودار مربوط به ستون Stripper بوده و مربوط به جداسازی ایزوپروپانول و بوتانول است و قسمت پائین نمودار مربوط به ستون Rectifier بوده و مربوط به جداسازی متانول و ایزوپروپانول است و دارای درجه حرارت کمتری است.
درجه حرارت بالای ستون C0 65/64 است که با نقطه جوش متانول (C0 7/64) مشابه است. درجه حرارت پائین ستون C0 6/119 است که با نقطه جوش بوتانول (C0 75/118) به عنوان محصول پائین برج مشابه است. درجه حرارت در مرحله شماره 31 (شماره 11 از ستون Absorber2) مربوط به مرحله خروج ایزوپروپانول برابر با 47/81 است که با نقطه جوش ایزوپروپانول (C0 15/82) منطبق است.بررسی دقیقتر شکل نشان میدهد که پروفیل درجه حرارت دو ستون Absorber1 و Absorber2 دارای 2 محل تلاقی میباشند. یک محل مربوط به ورود خوراک به ستون Absorber1 (مرحله 8 از ستون Absorber1 و مرحله 28 از کل ستون DWC) میباشد و یک محل مربوط به خروج محصول جانبی از ستون Absorber2 (مرحله 11 از ستون Absorber2 و مرحله 31 از کل ستون DWC) میباشد.نکته حائز اهمیت دیگر این است که حداکثر اختلاف درجه حرارت میان ستون Absorber1 و Absorber2 مربوط به مرحله 10 از دو ستون (مرحله 30 از کل ستون) میباشد. در این مرحله درجه حرارت Absorber1 برابر با 99/76 و درجه حرارت Absorber2 61/79 میباشد و اختلاف درجه حرارت برابر با 62/2 درجه سانتیگراد میباشد. از این رو اثر انتقال حرارت در عرض دیواره تقسیم کننده ناچیز است. چنانکه در این شبیه سازی نیز از آن صرفنظر شده است.

فایل : 18 صفحه

فرمت : Word