استخراج مایع-مایع (Liquid-Liquid Extraction - LLE) یکی از عملیاتهای اصلی در مهندسی شیمی برای جداسازی ترکیبات است که به ویژه زمانی کاربرد دارد که تقطیر، به دلیل ویژگیهای فیزیکی مانند تشکیل آزئوتروپ یا نزدیکی نقاط جوش، کارآمد نباشد. واحد Extract در نرمافزار Aspen Plus، ابزاری تخصصی برای مدلسازی فرآیندهای LLE است. این ماژول به مهندسان اجازه میدهد تا تعادلات فازی، پروفایلهای انتقال جرم و کارایی جداسازی را در دستگاههای استخراج مرحلهای (مانند Mixer-Settlers) یا پیوسته (مانند برجهای استخراج) شبیهسازی و بهینهسازی کنند. دقت شبیهسازی با واحد Extract مستقیماً به انتخاب صحیح مدل ترمودینامیکی برای پیشبینی دقیق تعادلات فازی بستگی دارد.
مدلهای ترمودینامیکی کلیدی برای تعادلات مایع-مایع
در شبیهسازی استخراج مایع-مایع، انتخاب مدل ترمودینامیکی (Property Method) حیاتی است، زیرا وظیفه پیشبینی قابلیت انحلالپذیری و امتزاجپذیری ناقص (Miscibility Gap) بین دو فاز مایع را بر عهده دارد. از آنجا که این سیستمها معمولاً غیرایدئال هستند، مدلهای ضریب فعالیت (Activity Coefficient Models) بهترین انتخاب محسوب میشوند.
NRTL (Non-Random Two-Liquid): این مدل به دلیل قابلیت بالا در مدلسازی سیستمهای غیرایدئال و پیچیده، از جمله سیستمهایی که دارای ترکیباتی با قطبیتهای مختلف هستند، اغلب به عنوان اولین انتخاب برای سیستمهای LLE مورد استفاده قرار میگیرد.
UNIQUAC (Universal Quasi-Chemical): یک مدل جایگزین قوی که مانند NRTL بر اساس مفهوم سهم سطح و حجم مولکولها در ترکیب مایع بنا شده است.
این مدلها برای محاسبه مرز امتزاجپذیری و توزیع جزء انحلالپذیر بین فازهای اکسترکت و رافینیت، به پارامترهای برهمکنش دوتایی (Binary Interaction Parameters) دقیق نیاز دارند. حصول اطمینان از صحت این پارامترها (از طریق منابع معتبر یا رگرسیون دادههای تجربی) برای شبیهسازی قابل اعتماد ضروری است.
واحد Extract: شبیهسازی فرآیند استخراج
واحد Extract در Aspen Plus به منظور شبیهسازی عملکرد فیزیکی دستگاههای استخراج طراحی شده است. پس از تعریف اجزا و انتخاب مدل ترمودینامیکی در بخش Properties، مهندسان میتوانند جریانهای خوراک (Feed) و حلال (Solvent) را به این واحد متصل کنند.
پیکربندی و تنظیمات
در پنجره تنظیمات واحد Extract، پارامترهای زیر باید مشخص شوند:
- تعداد مراحل (Number of Stages): تعیین تعداد مراحل تعادل تئوری که مستقیماً بر بازدهی جداسازی تأثیر میگذارد.
- مکان ورودیها: مشخص کردن سینیهای ورود جریان خوراک و حلال (معمولاً در انتهای مخالف برای عملکرد بهینه).
- فشار عملیاتی: فشاری که عملیات استخراج در آن صورت میگیرد.
با اجرای شبیهسازی، واحد Extract محاسبه میکند که در هر مرحله، جزء انحلالپذیر چگونه بین دو فاز مایع (فاز اکسترکت غنی از حلال ثانویه و فاز رافینیت غنی از حلال اولیه) توزیع میشود و در نهایت ترکیب و دبی جریانهای خروجی را ارائه میدهد.
رسم و تحلیل دیاگرام مثلثی در Aspen Plus
دیاگرام مثلثی (Ternary Phase Diagram) مهمترین ابزار گرافیکی برای درک و تحلیل سیستمهای سه جزئی LLE است. در Aspen Plus، این دیاگرامها معمولاً از طریق ابزارهای تحلیل فازی (Phase Analysis) در بخش Properties تولید میشوند.
مفهوم دیاگرام مثلثی
منحنی دو فازی (Binodal Curve): مرز خمیدهای که منطقه تک فازی (جایی که تمام اجزا با هم مخلوط میشوند) را از منطقه دو فازی (جایی که دو فاز مایع مجزا تشکیل میشود) جدا میکند.
خطوط اتصال (Tie Lines): خطوط مستقیمی که نقاط ترکیب فاز اکسترکت و فاز رافینیت را در حالت تعادل ترمودینامیکی (در دما و فشار ثابت) به یکدیگر متصل میکنند. هر خط اتصال نشاندهنده یک تعادل منحصر به فرد است.
نقطه بحرانی (Plait Point): نقطهای روی منحنی دو فازی که در آن فاز اکسترکت و رافینیت به دلیل یکسان شدن ترکیب، دیگر قابل تمایز نیستند و خطوط اتصال به آنجا همگرا میشوند.
کاربرد در تحلیل واحد Extract
رسم دیاگرام مثلثی بر اساس مدل ترمودینامیکی منتخب، به مهندسان کمک میکند تا عملکرد واحد Extract را به صورت بصری ارزیابی کنند. این دیاگرامها نه تنها رفتار فازی سیستم (مانند منطقه دو فازی) را تأیید میکنند، بلکه نقاط مربوط به جریانهای ورودی (خوراک و حلال) و خروجی (اکسترکت و رافینیت) را نیز بر روی خود نمایش میدهند. با تحلیل خطوط اتصال و محل قرارگیری جریانها نسبت به منطقه دو فازی، میتوان نسبت بهینهی حلال به خوراک و کارایی کلی فرآیند جداسازی را تخمین زد.
کلیدواژه ها : استفاده-از-اکسترکت-در-اسپن-پلاس-شبیه-سازی-استخراج-مایع-مایع-LLE-Aspen-Plus-Extract-unit-مدل-ترمودینامیکی-NRTL-رسم-دیاگرام-مثلثی-Ternary-Phase-Diagram-تعادلات-فازی-خطوط-اتصال-راهاندازی-واحد-اکسترکت-بهینهسازی-جداسازی-
