دیاگرامهای مثلثی، که به آنها دیاگرامهای سه تایی یا فازی نیز گفته میشود، ابزاری گرافیکی قدرتمند و ضروری برای تحلیل و طراحی فرآیندهای استخراج مایع-مایع (Liquid-Liquid Extraction - LLE) هستند. این دیاگرامها امکان بصریسازی رفتار فازی یک سیستم سه جزئی را فراهم میکنند که معمولاً شامل یک جزء انحلالپذیر (Solute)، یک حلال اولیه (Carrier) و یک حلال ثانویه (Solvent) است. هدف اصلی در استخراج مایع-مایع، جداسازی جزء انحلالپذیر از حلال اولیه با استفاده از یک حلال ثانویه است که برای جزء انحلالپذیر انتخابی بوده و با حلال اولیه غیرقابل امتزاج یا کمامتزاج باشد. دیاگرام مثلثی، منحنی دو فازی (Binodal Curve) یا پوشش فازی (Phase Envelope) را نشان میدهد که منطقه دو فازی و تک فازی را از هم جدا میکند. همچنین، خطوط اتصال (Tie Lines) در این دیاگرام، ترکیب دو فاز مایع در حال تعادل (فاز اکسترکت غنی از جزء انحلالپذیر و فاز رافینیت غنی از حلال اولیه) را در دما و فشار مشخص نشان میدهند. این ابزار نه تنها برای درک رفتار فازی، بلکه برای پیشبینی کارایی جداسازی، انتخاب حلال مناسب و طراحی واحد استخراج حیاتی است.
انتخاب مدل ترمودینامیکی مناسب برای تعادل مایع-مایع (LLE)
دقت شبیهسازی فرآیندهای استخراج مایع-مایع در Aspen Plus، بهشدت به انتخاب مدل خواص ترمودینامیکی (Property Method) مناسب وابسته است. مدلهای ترمودینامیکی وظیفه پیشبینی تعادلات فازی مایع-مایع (LLE) را بر عهده دارند که اساس رسم دیاگرامهای مثلثی و محاسبات واحد استخراج است. برای سیستمهای LLE که معمولاً غیرایدئال هستند و شامل ترکیبات قطبی و غیرقطبی میشوند، مدلهای ضریب فعالیت (Activity Coefficient Models) مانند NRTL (Non-Random Two-Liquid)، UNIQUAC (Universal Quasi-Chemical) و Wilson انتخابهای رایجی هستند. این مدلها برای پیشبینی رفتار غیرایدئال مایعات و امتزاجپذیری ناقص بسیار مناسباند. انتخاب بین این مدلها به نوع سیستم شیمیایی، وجود دادههای تجربی برای پارامترهای برهمکنش دوتایی (Binary Interaction Parameters) و دقت مورد نیاز بستگی دارد. در بسیاری از موارد، NRTL به دلیل توانایی بالا در مدلسازی سیستمهای پیچیده و غیرایدئال، پرکاربردترین گزینه است. صحت پارامترهای برهمکنش دوتایی که از دادههای تجربی استخراج شدهاند، کلیدیترین عامل در دستیابی به نتایج شبیهسازی دقیق و دیاگرامهای مثلثی قابل اعتماد است.
ماژول Extract در Aspen Plus: شبیهسازی واحد استخراج
در Aspen Plus، واحد عملیاتی Extract برای شبیهسازی فرآیندهای استخراج مایع-مایع استفاده میشود. این ماژول قابلیت مدلسازی انواع تجهیزات استخراج، از جمله استخراجکنندههای تک مرحلهای (Mixer-Settlers)، برجهای استخراج (Extraction Columns) و استخراجکنندههای چند مرحلهای را دارد. ماژول Extract از مدل ترمودینامیکی انتخابشده برای محاسبه تعادل مایع-مایع در هر مرحله استفاده میکند و میتواند پروفایلهای ترکیب، دما و دبی را در طول واحد استخراج پیشبینی کند. با استفاده از این ماژول، مهندسان میتوانند عملکرد فرآیند استخراج را ارزیابی کرده، تأثیر پارامترهای عملیاتی مختلف مانند نسبت حلال به خوراک، تعداد مراحل تعادل، و دمای عملیاتی را بر خلوص و بازده محصول بررسی کنند. شبیهسازی با واحد Extract، مبنایی برای بهینهسازی طراحی و عملیات واحد استخراج در مقیاس صنعتی فراهم میکند.
گامهای شبیهسازی و رسم دیاگرام مثلثی
۱. تعریف اجزا و مشخصات جریانها
اولین قدم شامل تعریف دقیق هر سه جزء سیستم (حلال اولیه، حلال ثانویه، و جزء انحلالپذیر) در بخش Components نرمافزار Aspen Plus است. سپس، مشخصات جریان خوراک ورودی (شامل ترکیب، دما، فشار و دبی) و جریان حلال ورودی (شامل ترکیب، دما، فشار و دبی) باید وارد شود.
۲. انتخاب و تعریف مدل ترمودینامیکی
در بخش Properties، باید مدل ترمودینامیکی مناسب (مانند NRTL یا UNIQUAC) را انتخاب کرده و پارامترهای مربوط به برهمکنش دوتایی بین اجزا را (در صورت نیاز و در دسترس بودن دادههای تجربی) تنظیم کنید. این مرحله برای اطمینان از پیشبینی دقیق LLE حیاتی است.
۳. تعریف واحد Extract
در محیط شبیهسازی (Simulation Environment)، واحد عملیاتی “Extract” را از پالت ابزار به صفحه اضافه کنید. سپس، جریان خوراک و جریان حلال را به ورودیهای مربوطه متصل کرده و جریانهای خروجی اکسترکت (Extract) و رافینیت (Raffinate) را تعریف کنید.
۴. تنظیمات واحد Extract
وارد پنجره تنظیمات واحد Extract شوید. در این بخش، باید پارامترهایی نظیر تعداد مراحل تعادل (Stages)، دمای عملیاتی و فشار را مشخص کنید. برای شروع، میتوان یک استخراجکننده تک مرحلهای را برای دیدن نقطه تعادلی اولیه شبیهسازی کرد.
۵. اجرای شبیهسازی
پس از تکمیل تمامی تنظیمات، شبیهسازی را اجرا کنید. Aspen Plus محاسبات مربوط به تعادل مایع-مایع را بر اساس مدل ترمودینامیکی انتخاب شده و مشخصات ورودی انجام میدهد.
۶. تولید دیاگرام مثلثی
پس از همگرایی شبیهسازی، میتوانید دیاگرام مثلثی را تولید کنید. این کار معمولاً از طریق بخش “Property Analysis” یا “Phase Analysis” در Aspen Plus انجام میشود. شما باید نوع “Ternary Diagram” را انتخاب کرده، اجزای مورد نظر را مشخص نموده و محدوده دما و فشار را تعیین کنید. Aspen Plus سپس منحنی دو فازی (Binodal Curve) و خطوط اتصال (Tie Lines) را بر اساس محاسبات LLE رسم خواهد کرد. برخی نسخهها اجازه میدهند که نقاط مربوط به جریانهای خوراک، حلال، رافینیت و اکسترکت نیز بر روی دیاگرام نمایش داده شوند.
تفسیر دیاگرام مثلثی
دیاگرام مثلثی اطلاعات ارزشمندی را در مورد سیستم استخراج ارائه میدهد:
منحنی دو فازی (Binodal Curve): این منحنی، مرز بین منطقه تک فازی (جایی که تمام اجزا کاملاً امتزاجپذیرند) و منطقه دو فازی (جایی که دو فاز مایع مجزا تشکیل میشود) را نشان میدهد. هر ترکیب در داخل این منحنی منجر به تشکیل دو فاز مجزا میشود.
خطوط اتصال (Tie Lines): این خطوط، ترکیب فاز رافینیت و فاز اکسترکت را در حالت تعادل نشان میدهند. نقاط انتهای هر خط اتصال بر روی منحنی دو فازی قرار میگیرند. هر خط اتصال بیانگر یک تعادل منحصر به فرد در دما و فشار مشخص است.
نقطه بحرانی (Plait Point): نقطهای روی منحنی دو فازی که در آن فاز رافینیت و اکسترکت از نظر ترکیب یکسان میشوند و خطوط اتصال به یک نقطه همگرا میشوند.
با تحلیل این دیاگرام، مهندسان میتوانند بهترین حلال، نسبت حلال به خوراک و تعداد مراحل مورد نیاز برای دستیابی به جداسازی مطلوب را تعیین کنند.
نکات مهم و کاربردها
درک دقیق از رفتار فازی و قابلیتهای شبیهسازی Aspen Plus برای طراحی مؤثر واحدهای استخراج حیاتی است. دیاگرامهای مثلثی کمک میکنند تا دیدگاهی جامع از عملکرد سیستم به دست آید و فرآیندهای استخراج مایع-مایع در صنایعی مانند پتروشیمی (جداسازی آروماتیکها)، داروسازی (خالصسازی محصولات دارویی) و محیط زیست (حذف آلایندهها از پساب) بهینهسازی شوند. مقایسه نتایج شبیهسازی با دادههای تجربی برای اعتبارسنجی مدل ترمودینامیکی و پارامترها ضروری است تا اطمینان از صحت پیشبینیها حاصل شود.
کلیدواژه ها : رسم-دیاگرام-مثلثی-در-اسپن-پلاس-واحد-اکسترکت-شبیه-سازی-استخراج-مایع-مایع-تعادل-مایع-مایع-مدل-ترمودینامیکی-NRTL-دیاگرام-فازی-سه-تایی-خطوط-اتصال-فاز-رافینیت-فاز-اکسترکت-Aspen-Plus-triangular-diagram-liquid-liquid-extraction-simulation-LLE-NRTL-thermodynamic-model-ternary-phase-diagram-tie-lines-raffinate-phase-extract-phase
