‫شبیه سازی تولید بیودیزل در اسپن هایسیس

شبیه‌سازی فرآیند تولید بیودیزل در نرم‌افزار اسپن هایسیس (Aspen HYSYS) ابزاری قدرتمند برای تحلیل، بهینه‌سازی و طراحی کارخانه است. با توجه به ماهیت پیچیده و غیرایده‌آل سیستم واکنش ترانس استریفیکاسیون، انتخاب صحیح مدل‌های ترمودینامیکی و روش‌های شبیه‌سازی از اهمیت بالایی برخوردار است. این راهنما به صورت گام به گام نحوه انجام یک شبیه‌سازی پایه از تولید بیودیزل با استفاده از راکتور تبدیلی را تشریح می‌کند.

گام 1: تعریف کامپوننت‌ها (Components)

اولین گام در هایسیس، انتخاب و تعریف مواد شیمیایی (کامپوننت‌ها) درگیر در فرآیند است.

• الکل: متانول ($\text{Methanol}$) یا اتانول ($\text{Ethanol}$)
• گلیسرول: $\text{Glycerol}$
  
• بیودیزل (استرهای متیل): بسته به نوع ماده اولیه، می‌توانید استرهای متیل اصلی را از کتابخانه هایسیس انتخاب کنید.
• تری‌گلیسیرید (روغن/چربی): این بخش می‌تواند چالش‌برانگیز باشد، زیرا هایسیس ممکن است تری‌گلیسیریدهای خاص را در کتابخانه خود نداشته باشد. در این موارد، می‌توانید از:
• کامپوننت‌های فرضی (Hypothetical Components): با تعریف خواص فیزیکی و شیمیایی تقریبی (مانند نقطه جوش، چگالی، جرم مولکولی) تری‌گلیسیرید مورد نظر.
• مخلوطی از اسیدهای چرب: برخی شبیه‌سازی‌ها، تری‌گلیسیرید را به صورت مجموعه‌ای از اسیدهای چرب با جرم‌های مولکولی مختلف مدل می‌کنند.

گام 2: انتخاب بسته سیال (Fluid Package)

همانطور که پیش‌تر نیز اشاره شد، سیستم واکنش ترانس استریفیکاسیون شامل ترکیبات قطبی و غیرقطبی با خواص غیرایده‌آل قوی است. بنابراین، انتخاب مدل‌های ترمودینامیکی حالت (Equation of State) مانند $\text{Peng-Robinson}$Peng-Robinson مناسب نیست.

• مدل‌های فعالیت‌محور (Activity Models): برای این سیستم‌ها، استفاده از مدل‌هایی مانند $\text{<br>}$NRTL (Non-Random Two-Liquid) یا $\text{UNIQUAC}$به شدت توصیه می‌شود. این مدل‌ها توانایی بهتری در پیش‌بینی تعادلات فازی مایع-مایع و مایع-بخار برای سیستم‌های غیرایده‌آل دارند.

گام 3: تعریف واکنش‌ها (Reactions)

در بخش “Reactions” هایسیس، واکنش ترانس استریفیکاسیون را تعریف می‌کنیم:

1. ایجاد $\text{Reaction Set}$: یک مجموعه واکنش جدید ایجاد کنید.
2. انتخاب نوع واکنش: برای این شبیه‌سازی پایه، از نوع $\text{Conversion}$استفاده کنید.
3. تعریف واکنش ترانس استریفیکاسیون:

• واکنش‌دهنده‌ها (Reactants): $\text{Triglyceride}$و $\text{Methanol}$
  
• محصولات (Products): $\text{Methyl Ester}$(بیودیزل) و $\text{Glycerol}$
  
• ضرایب استوکیومتری (Stoichiometric Coefficients): اطمینان حاصل کنید که واکنش موازنه شده است.
• کامپوننت پایه (Basis Component): یکی از واکنش‌دهنده‌ها (معمولاً تری‌گلیسیرید) را به‌عنوان $\text{Basis Component}$انتخاب کنید.
• درصد تبدیل (Conversion): مهمترین پارامتر در راکتور تبدیلی است. در اینجا، درصد تبدیل $\text{Basis Component}$ (مثلاً تری‌گلیسیرید) را وارد کنید (به‌عنوان مثال، 95% یا 98%). این مقدار باید بر اساس داده‌های عملیاتی یا تجربی تعیین شود.

1. اضافه کردن $\text{Reaction Set}$به $\text{Fluid Package}$: مطمئن شوید که $\text{Reaction Set}$Reaction Set تعریف شده به $\text{Fluid Package}$Fluid Package فعال اضافه شده است.

گام 4: طراحی فلوشیت فرآیند (Process Flowsheet)

حالا وارد محیط شبیه‌سازی شده و فلوشیت (Flowsheet) فرآیند را طراحی می‌کنیم:

1. جریان‌های ورودی (Inlet Streams):

• یک جریان برای روغن/چربی (مثلاً $\text{Oil Feed}$Oil Feed) ایجاد کنید و نرخ جریان، دما، فشار و ترکیب آن را مشخص کنید.
• یک جریان برای الکل (مثلاً $\text{Methanol Feed}$Methanol Feed) ایجاد کنید و نرخ جریان، دما، فشار و ترکیب آن را مشخص کنید. معمولاً متانول با نسبت مولی اضافی نسبت به استوکیومتری به واکنش‌دهنده روغن وارد می‌شود.

1. راکتور تبدیلی (Conversion Reactor):

• یک واحد عملیاتی $\text{Conversion Reactor}$ را از پالت ابزار به فلوشیت اضافه کنید.
• جریان‌های ورودی را به پورت‌های ورودی راکتور متصل کنید.
• یک جریان خروجی برای فاز مایع (محصول اصلی) و در صورت وجود، یک جریان برای فاز بخار تعریف کنید.
• $\text{Reaction Set}$تعریف شده در گام 3 را به راکتور اختصاص دهید.

1. واحد جداسازی گلیسرول (Glycerol Separation):

• خروجی راکتور حاوی بیودیزل، گلیسرول، الکل اضافی و مقادیر کمی از تری‌گلیسیریدهای واکنش‌نداده است. گلیسرول و بیودیزل معمولاً یک فاز مایع جداگانه تشکیل می‌دهند (فاز سنگین گلیسرول و فاز سبک بیودیزل).
• برای جداسازی اولیه، از یک واحد عملیاتی $\text{Decanter}$ (جداکننده مایع-مایع) یا یک $\text{Flash Drum}$ استفاده کنید.
• جریان خروجی راکتور را به ورودی این جداکننده متصل کنید.
• یک جریان خروجی برای فاز غنی از گلیسرول (Heavy Liquid) و یک جریان خروجی برای فاز غنی از بیودیزل (Light ) تعریف کنید.

1. بازیابی الکل (Alcohol Recovery):

• هر دو جریان غنی از گلیسرول و غنی از بیودیزل حاوی مقادیر قابل توجهی الکل اضافی هستند که باید بازیابی شود.
• می‌توانید از ستون‌های تقطیر (Distillation Columns) یا فلاش درام‌ها (Flash Drums) برای بازیابی متانول/اتانول استفاده کنید تا هم خلوص محصول را افزایش دهید و هم الکل را به فرآیند بازگردانید.

1. خالص‌سازی بیودیزل (Biodiesel Purification):

• جریان بیودیزل (پس از بازیابی الکل) ممکن است نیاز به شستشو (Washing) برای حذف باقیمانده کاتالیزور، صابون‌ها و گلیسرول حل شده داشته باشد. این مرحله را می‌توان با یک $\text{Mixer}$Mixer (برای افزودن آب) و سپس یک $\text{Decanter}$دیگر مدل کرد.
• پس از شستشو، بیودیزل باید خشک شود (Drying) تا آب باقیمانده حذف شود. یک $\text{Flash Drum}$یا $\text{Heater/Cooler}$ می‌تواند برای این منظور استفاده شود.

گام 5: تحلیل و نتایج

پس از اجرای شبیه‌سازی، می‌توانید جریان‌های مختلف، ترکیب شیمیایی آن‌ها، نرخ‌های جریان و خواص ترمودینامیکی را بررسی کنید.

• میزان تولید بیودیزل: میزان تولید استرهای متیل را در جریان نهایی بیودیزل بررسی کنید.
• بازده گلیسرول: میزان تولید گلیسرول را در جریان خروجی آن مشاهده کنید.
• مصرف الکل: کارایی بازیابی الکل را تحلیل کنید.
• بررسی تعادل فازی: به دلیل اهمیت جداسازی گلیسرول و بیودیزل، تعادل فاز مایع-مایع در راکتور و دکانتر بسیار مهم است.

جمع‌بندی مفهومی

شبیه‌سازی تولید بیودیزل در اسپن هایسیس با استفاده از راکتور تبدیلی یک روش مؤثر برای ارزیابی اولیه فرآیند است. دقت این شبیه‌سازی تا حد زیادی به انتخاب صحیح بسته سیال، تعریف دقیق واکنش‌ها و درصد تبدیل و همچنین مدل‌سازی مناسب واحدهای جداسازی بستگی دارد. این مدل می‌تواند به‌عنوان پایه‌ای برای شبیه‌سازی‌های پیشرفته‌تر با استفاده از راکتورهای سینتیکی و بهینه‌سازی دقیق‌تر فرآیند به کار رود.

کلیدواژه ها : شبیه سازی بیودیزل در اسپن هایسیس-Biodiesel Simulation Aspen HYSYS-راکتور تبدیلی-Conversion Reactor-ترانس استریفیکاسیون-Transesterification-بسته سیال NRTL-NRTL Fluid Package-جریان فرآیند-Process Flowsheet-جداسازی گلیسرول-Glycerol Separation-خالص سازی بیودیزل-Biodiesel Purification