شبیه سازی برهمکنش هیدروکلریک اسید و سدیم هیدروکسید در نرم افزار اسپن پلاس

تولید نمک و آب از ترکیب هیدروکلریک اسید (HCl) و سدیم هیدروکسید (NaOH) یک واکنش خنثی‌سازی (Neutralization) کلاسیک و بسیار سریع است. در نرم‌افزار Aspen Plus، شبیه‌سازی دقیق این فرایند نیازمند رویکردی متفاوت از شبیه‌سازی‌های متداول هیدروکربنی است، زیرا محلول‌های آبی این ترکیبات شامل یون‌های تفکیک‌شده (Electrolytes) هستند. این واکنش ذاتاً گرمازا (Exothermic) بوده و تولید انرژی حرارتی (Heat of Neutralization) یکی از مهم‌ترین خروجی‌ها و ملاحظات طراحی است که باید در شبیه‌سازی به درستی مدل شود. کنترل دقیق این گرما برای جلوگیری از افزایش بیش از حد دمای راکتور و حفظ ایمنی فرایند حیاتی است.

H2: انتخاب مدل خواص الکترولیتی (ELECNRTL)

مهم‌ترین گام در شبیه‌سازی این سیستم، انتخاب مدل خواص ترمودینامیکی مناسب است. مدل‌های سنتی مانند NRTL یا Peng-Robinson قادر به مدل‌سازی رفتار شیمیایی و تعادلی یون‌ها در محلول آبی نیستند. بنابراین، باید از پکیج‌های خواص الکترولیتی استفاده شود. مدل ELECNRTL (Electrolyte Non-Random Two-Liquid) که بر پایه مدل NRTL توسعه یافته است، بهترین و رایج‌ترین انتخاب برای سیستم‌های آبی شامل اسیدهای قوی، بازهای قوی و نمک‌ها در غلظت‌های متوسط است. این مدل تفکیک کامل $\text{HCl}$، $\text{NaOH}$ و $\text{NaCl}$ در آب را به یون‌های ${\text{H}}^{+}$, ${\text{Cl}}^{-}$, ${\text{Na}}^{+}$Na و ${\text{OH}}^{-}$ در نظر می‌گیرد و اثرات نیروهای بلندبرد یونی را مدل‌سازی می‌کند. در غلظت‌های بسیار بالا، مدل PITZER نیز می‌تواند یک گزینه جایگزین قدرتمند باشد.

H2: پیکربندی واکنش شیمیایی در ماژول Reactions

پس از تعریف مدل ترمودینامیکی و اجزا (شامل گونه‌های مولکولی و یونی)، باید واکنش شیمیایی را در بخش Reactions نرم‌افزار تعریف کرد. از آنجایی که واکنش خنثی‌سازی اسید قوی و باز قوی تقریباً لحظه‌ای، بسیار سریع و کامل است، معمولاً از ماژول Stoichiometric Reactor (RStoic) در فلوشیت استفاده می‌شود. این ماژول بر اساس موازنه مولی (Stoichiometry) عمل می‌کند و نیازی به وارد کردن سینتیک پیچیده ندارد. در ماژول $\text{RStoic}$، واکنش $\text{HCl}+\text{NaOH}\to \text{NaCl}+{\text{H}}_2\text{O}$ تعریف شده و میزان تبدیل (Conversion) برای جزء محدودکننده (Limiting Reactant) روی صد درصد تنظیم می‌شود. این رویکرد به ویژه برای شبیه‌سازی عملکرد در مقیاس صنعتی که در آن زمان اقامت (Residence Time) طولانی‌تر از زمان واکنش است، کفایت می‌کند.

H2: تحلیل جریان انرژی و اعتبارسنجی نتایج

نتیجه شبیه‌سازی در Aspen Plus، جریان خروجی شامل آب و نمک تولید شده $\text{NaCl}$در حالت محلول خواهد بود. علاوه بر غلظت نهایی نمک و باقی‌مانده اسید یا باز، مهم‌ترین خروجی، مقدار گرمای تولید شده (Heat Duty) در راکتور است. این گرمای خنثی‌سازی که به دلیل گرمازا بودن واکنش آزاد می‌شود، باید در محاسبات تعادل انرژی فرایند لحاظ گردد. در واحد $\text{RStoic}$، با تنظیم راکتور به صورت آدیاباتیک (بدون انتقال گرما) می‌توان مشاهده کرد که دمای خروجی به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. در صورت استفاده از حالت ایزوترمال (دمای ثابت)، مقدار گرمای کندانسور/جکت مورد نیاز برای حفظ دما گزارش می‌شود. تحلیل تغییرات دما و PH جریان خروجی از پارامترهای کلیدی برای اعتبارسنجی نتایج شبیه‌سازی در برابر داده‌های تجربی یا مرجع است.

کلیدواژه ها : شبیه سازی خنثی سازی اسید باز-Aspen Plus-برهمکنش هیدروکلریک اسید سدیم هیدروکسید-مدل ELECNRTL-انتخاب مدل الکترولیتی-اسپن پلاس-تولید نمک در راکتور-RStoic-مدل‌سازی واکنش گرمازا-Heat of Neutralization-Aspen Plus-Electrolyte-Simulation Neutralization Reaction-