جداسازی مخلوط‌های چند جزئی، به ویژه آن‌هایی که شامل ترکیبات با ماهیت‌های شیمیایی متفاوت هستند، یک چالش کلیدی در مهندسی شیمی است. مخلوط فنول، هپتان و تولوئن نمونه‌ای از یک سیستم سه جزئی است که در آن، فنول (ترکیبی نسبتاً قطبی و اسیدی) و هپتان (ترکیبی کاملاً غیرقطبی) دارای رفتار فازی پیچیده‌ای هستند، در حالی که تولوئن (ترکیبی آروماتیک با قطبیت متوسط) می‌تواند به عنوان یک جز میانی عمل کند. درک خواص ترمودینامیکی و انتخاب استراتژی مناسب برای جداسازی این مخلوط، که ممکن است شامل تقطیر، استخراج، یا ترکیبی از هر دو باشد، امری حیاتی است.

انتخاب مدل خواص ترمودینامیکی برای سیستم فنول-هپتان-تولوئن

موفقیت در شبیه‌سازی این فرآیند جداسازی در Aspen Plus مستلزم انتخاب یک مدل ترمودینامیکی قوی است که بتواند به طور دقیق رفتار تعادل فازی (Vapor-Liquid-Equilibrium - VLE) و احتمالاً تعادل مایع-مایع (Liquid-Liquid Equilibrium - LLE) را پیش‌بینی کند.

فنول-هپتان: این جفت ممکن است به دلیل اختلاف زیاد در قطبیت، دارای انحراف شدید از ایده‌آل‌گرایی باشد و احتمالاً یک منطقه امتزاج‌ناپذیری (LLE) را نشان دهد.

فنول-تولوئن و هپتان-تولوئن: این جفت‌ها نیز غیرایدئال هستند اما احتمال تشکیل فازهای مایع مجزا در شرایط عملیاتی برج تقطیر کمتر است.

با توجه به این پیچیدگی، استفاده از مدل‌های ضریب فعالیت (Activity Coefficient Models) مانند NRTL یا UNIQUAC قویاً توصیه می‌شود، زیرا آن‌ها قادر به مدل‌سازی رفتار غیرایدئال و پیش‌بینی احتمال تشکیل دو فاز مایع هستند. این مدل‌ها به خصوص برای ترکیباتی که پیوند هیدروژنی تشکیل می‌دهند (مانند فنول) مناسب هستند. برای اطمینان بیشتر، باید پارامترهای برهم‌کنش دوتایی مربوط به این مدل‌ها برای هر سه جفت ترکیبی، از داده‌های تجربی معتبر استخراج شده و به درستی در Aspen Plus وارد شوند.

استراتژی‌های جداسازی و شبیه‌سازی با واحد RadFrac

با فرض اینکه تمرکز بر جداسازی با تقطیر است (به شرط عدم وجود آزئوتروپ یا منطقه LLE در شرایط عملیاتی)، برج RadFrac در Aspen Plus به عنوان واحد اصلی جداسازی استفاده می‌شود. RadFrac یک مدل دقیق و همه‌کاره برای تقطیر، جذب، دفع و سایر عملیات‌های جداسازی مبتنی بر تعادل سینی به سینی است.

۱. تعیین توالی جداسازی

به دلیل تفاوت در نقاط جوش، یک توالی جداسازی مستقیم می‌تواند به این صورت باشد:

  • برج اول: جداسازی هپتان (سبک‌ترین جزء) از فنول و تولوئن (سنگین‌ترها).
  • برج دوم: جداسازی فنول از تولوئن.

۲. پیکربندی برج RadFrac (برج اول: جداسازی هپتان)

  • تعداد سینی‌ها (Number of Stages): یک تخمین اولیه از تعداد مراحل تئوری مورد نیاز.
  • محل خوراک: سینی ورود خوراک باید در محلی قرار گیرد که بهترین جداسازی را تضمین کند.
  • مشخصات عملیاتی: تنظیم فشار و نسبت بازگشت (Reflux Ratio). نسبت بازگشت بالاتر خلوص بهتری به دست می‌دهد اما مصرف انرژی را افزایش می‌دهد.
  • نوع کندانسور: کندانسور کامل (Total Condenser) برای جریان محصول بالای برج (هپتان) معمولاً مناسب است.
  • مشخصات محصول: تعریف هدف جداسازی با تعیین درصد بازیابی یا خلوص مورد نظر برای هپتان در محصول بالای برج.

۳. پیکربندی برج RadFrac (برج دوم: جداسازی فنول و تولوئن)

جریان کف برج اول (شامل فنول و تولوئن) به عنوان خوراک برج دوم استفاده می‌شود.

  • تنظیمات مشابه: سینی‌ها، فشار و نسبت بازگشت باید مجدداً برای این جداسازی بهینه شوند.
  • جداسازی نهایی: هدف جداسازی تولوئن (با نقطه جوش پایین‌تر) در محصول بالای برج و فنول (با نقطه جوش بالاتر) در محصول کف برج است.

ملاحظات طراحی و بهینه‌سازی

عدم قطعیت‌های ترمودینامیکی: اگر مدل NRTL/UNIQUAC پیش‌بینی کند که در شرایط عملیاتی یک منطقه دو فازی مایع-مایع وجود دارد، باید شبیه‌سازی را با دقت بیشتری مورد بررسی قرار داد و احتمالاً از عملیات‌های استخراج (با واحد Extract) برای جداسازی استفاده کرد.

بهینه‌سازی پارامترها: برای دستیابی به کمترین هزینه عملیاتی و سرمایه‌ای، پارامترهایی مانند نسبت بازگشت، تعداد سینی‌ها و محل ورود خوراک باید از طریق تحلیل حساسیت (Sensitivity Analysis) در Aspen Plus بهینه‌سازی شوند. این تحلیل به مهندس کمک می‌کند تا تأثیر تغییرات هر پارامتر بر خلوص محصول و مصرف انرژی را درک کند.

کلیدواژه ها : شبیه-سازی-فرآیند-جداسازی-فنول-هپتان-تولوئن-در-اسپن-پلاس-جداسازی-مخلوط-سه-جزئی-برج-تقطیر-RadFrac-Aspen-Plus-Phenol-Heptane-Toluene-Separation-NRTL-UNIQUAC-مدل-ترمودینامیکی-استراتژی-جداسازی-توالی-برج-های-تقطیر-بهینه‌سازی-شبیه-سازی-Chemical-Process-Simulation-Distillation-Column-Design