واحد اکسترکت (Extract) در نرم‌افزار Aspen Plus یک ماژول تخصصی و قدرتمند برای شبیه‌سازی فرآیندهای استخراج مایع-مایع (Liquid-Liquid Extraction - LLE) است. استخراج مایع-مایع یک عملیات جداسازی رایج در صنایع شیمیایی، داروسازی، پتروشیمی و صنایع غذایی است که در آن یک جزء انحلال‌پذیر (Solute) از یک حلال اولیه (Carrier) به یک حلال ثانویه (Solvent) منتقل می‌شود. این فرآیند زمانی استفاده می‌شود که تقطیر کارآمد یا مقرون به صرفه نباشد، مثلاً به دلیل وجود آزئوتروپ‌ها، نقاط جوش نزدیک یا حساسیت حرارتی ترکیبات. واحد اکسترکت در Aspen Plus به مهندسان این امکان را می‌دهد که رفتار فازی، انتقال جرم، و کارایی جداسازی سیستم‌های LLE را پیش‌بینی کرده و طراحی و بهینه‌سازی واحدهای استخراج را انجام دهند. این ماژول قادر به مدل‌سازی انواع پیکربندی‌های استخراج، از جمله استخراج‌کننده‌های مرحله‌ای (Mixer-Settlers) و برج‌های استخراج (Extraction Columns) است.

انتخاب مدل خواص ترمودینامیکی برای LLE

موفقیت هر شبیه‌سازی LLE در Aspen Plus، قبل از هر چیز، به انتخاب صحیح مدل خواص ترمودینامیکی (Property Method) بستگی دارد. این مدل‌ها مسئول پیش‌بینی تعادلات فازی مایع-مایع، یعنی چگونگی تقسیم جزء انحلال‌پذیر بین دو فاز مایع غیرقابل امتزاج (یا کم‌امتزاج) هستند. از آنجا که سیستم‌های LLE معمولاً غیرایدئال هستند و شامل فعل و انفعالات پیچیده‌ای بین ترکیبات قطبی و غیرقطبی می‌شوند، استفاده از مدل‌های ضریب فعالیت (Activity Coefficient Models) ضروری است. مدل‌هایی مانند NRTL (Non-Random Two-Liquid)، UNIQUAC (Universal Quasi-Chemical) و Wilson انتخاب‌های رایجی هستند. این مدل‌ها می‌توانند غیرایدئالیته مخلوط و امتزاج‌ناپذیری جزئی فازها را به خوبی مدل کنند. دقت این مدل‌ها به پارامترهای برهم‌کنش دوتایی (Binary Interaction Parameters) بستگی دارد که ترجیحاً باید از داده‌های تجربی استخراج شده باشند. انتخاب نادرست مدل ترمودینامیکی منجر به پیش‌بینی‌های نادرست در مورد رفتار فازی و در نتیجه، نتایج شبیه‌سازی غیرقابل اعتماد برای واحد اکسترکت خواهد شد.

راه‌اندازی و پیکربندی واحد اکسترکت

۱. تعریف اجزا و جریان‌های ورودی

اولین گام، تعریف تمامی اجزای سیستم (حلال اولیه، حلال ثانویه، و جزء انحلال‌پذیر) در بخش “Components” نرم‌افزار Aspen Plus است. سپس، جریان‌های خوراک ورودی به واحد اکسترکت شامل جریان حلال اولیه (که حاوی جزء انحلال‌پذیر است) و جریان حلال ثانویه (که برای جداسازی استفاده می‌شود) باید با تعریف دقیق دما، فشار، دبی و ترکیب وارد شوند.

۲. انتخاب واحد اکسترکت در فلوشیت

در محیط شبیه‌سازی (Simulation Environment)، واحد عملیاتی “Extract” را از پالت ابزار “Separators” انتخاب کرده و به فلوشیت اضافه کنید. سپس، جریان‌های ورودی (خوراک و حلال) را به ورودی‌های مناسب واحد Extract متصل کرده و جریان‌های خروجی، شامل جریان اکسترکت (غنی از جزء انحلال‌پذیر و حلال ثانویه) و جریان رافینیت (غنی از حلال اولیه و باقیمانده جزء انحلال‌پذیر)، را تعریف کنید.

۳. تنظیم پارامترهای عملیاتی واحد اکسترکت

وارد پنجره تنظیمات واحد Extract شوید. در این بخش، باید پارامترهای کلیدی را برای شبیه‌سازی فرآیند استخراج مشخص کنید:

  • تعداد مراحل تعادل (Number of Stages): برای استخراج‌کننده‌های مرحله‌ای (مانند Mixer-Settlers)، تعداد مراحل گسسته مشخص می‌شود. برای برج‌های استخراج، این عدد می‌تواند نشان‌دهنده مراحل تئوری باشد.
  • نوع و مکان ورود جریان‌های خوراک: شما باید سینی‌های ورود جریان خوراک و حلال ثانویه را مشخص کنید. این انتخاب بر کارایی انتقال جرم تأثیر بسزایی دارد.
  • دمای عملیاتی و فشار: شرایط ترمودینامیکی که واحد اکسترکت در آن عمل می‌کند.
  • نسبت حلال به خوراک (Solvent to Feed Ratio): این پارامتر حیاتی بر بازدهی استخراج و اندازه واحد تأثیر می‌گذارد و معمولاً باید بهینه‌سازی شود.
  • مشخصات کندانسور و ریبویلر (در صورت وجود): در برخی پیکربندی‌های پیچیده‌تر برج‌های استخراج، ممکن است کندانسور یا ریبویلر نیز مورد نیاز باشد.

۴. اجرای شبیه‌سازی و تحلیل نتایج

پس از تکمیل تمامی تنظیمات، شبیه‌سازی را اجرا کنید. Aspen Plus بر اساس مدل ترمودینامیکی انتخاب شده و پارامترهای عملیاتی وارد شده، تعادلات فازی و انتقال جرم را در هر مرحله محاسبه می‌کند. پس از همگرایی شبیه‌سازی، می‌توانید نتایج را تحلیل کنید:

  • جریان‌های خروجی: بررسی دبی و ترکیب جریان‌های اکسترکت و رافینیت برای ارزیابی بازدهی جداسازی و خلوص محصول.
  • پروفایل‌های ترکیبی: مشاهده پروفایل تغییرات غلظت اجزا در طول مراحل استخراج (برای برج‌های استخراج).
  • مصرف انرژی: (در صورت وجود اجزای حرارتی) ارزیابی نیازهای انرژی واحد.

ارتباط با دیاگرام‌های مثلثی

نتایج حاصل از شبیه‌سازی واحد اکسترکت در Aspen Plus ارتباط تنگاتنگی با دیاگرام‌های مثلثی (Ternary Diagrams) دارد. این دیاگرام‌ها نمایشی بصری از تعادلات فازی مایع-مایع هستند که نقاط عملکردی واحد اکسترکت را بر روی خود نشان می‌دهند. هر مرحله تعادل در واحد اکسترکت، یک خط اتصال (Tie Line) بر روی دیاگرام مثلثی را نشان می‌دهد که ترکیب فاز اکسترکت و رافینیت در آن مرحله را به هم متصل می‌کند. با تحلیل همزمان نتایج شبیه‌سازی و دیاگرام‌های مثلثی، مهندسان می‌توانند درک عمیق‌تری از رفتار سیستم LLE به دست آورند، انتخاب حلال را بهبود بخشند، نسبت حلال به خوراک را بهینه‌سازی کنند، و تعداد مراحل مورد نیاز برای جداسازی مطلوب را تعیین نمایند.

بهینه‌سازی و نکات عملی

  • حساسیت مدل ترمودینامیکی: همواره دقت مدل ترمودینامیکی و پارامترهای برهم‌کنش دوتایی را بررسی کنید. در صورت نیاز، از داده‌های تجربی برای رگرسیون پارامترها استفاده کنید.
  • تست‌های حساسیت: تأثیر تغییر پارامترهای کلیدی مانند نسبت حلال به خوراک، دما، و تعداد مراحل را بر عملکرد جداسازی بررسی کنید.
  • کنترل همگرایی: برای سیستم‌های پیچیده، ممکن است نیاز باشد تنظیمات همگرایی را در Aspen Plus تغییر دهید یا نقاط شروع بهتری برای متغیرها ارائه دهید.
  • کاربرد عملی: واحد اکسترکت در Aspen Plus ابزاری ضروری برای طراحی و تحلیل فرآیندهای جداسازی در صنایع مختلف است و امکان بهبود کارایی، کاهش هزینه‌ها و توسعه فرآیندهای جدید را فراهم می‌کند.

کلیدواژه ها : استفاده-از-واحد-اکسترکت-در-اسپن-پلاس-شبیه‌سازی-استخراج-مایع-مایع-Aspen-Plus-Extract-unit-LLE-simulation-Liquid-Liquid-Extraction-NRTL-UNIQUAC-مدل-خواص-ترمودینامیکی-پیکربندی-واحد-اکسترکت-فلوشیت-تعادل-فازی-مایع-مایع-دیاگرام-مثلثی-Extraction-Column-Mixer-Settler-