فرآیند جداسازی مخلوط‌های چندجزئی، به‌ویژه در ترکیباتی که شامل یک جزء بسیار سبک (مانند متان) و اجزای سنگین‌تر (مانند استون و کتون) هستند، یکی از چالش‌های اساسی در مهندسی شیمی است. متان به‌عنوان یک گاز غیرقابل میعان در دمای محیط، از طریق فرآیند تقطیر، باید به‌دقت از اجزای مایع جدا شود. استون و کتون (که معمولاً به کتون‌های سنگین‌تر اشاره دارد) اجزای سنگین‌تری هستند که جداسازی آن‌ها نیز مستلزم شرایط عملیاتی دقیق است. گام اول در شبیه‌سازی این فرآیند در Aspen Plus، انتخاب مدل خواص ترمودینامیکی مناسب است. از آنجایی که استون و کتون حلال‌های قطبی هستند و ممکن است رفتار غیرایدئال از خود نشان دهند، استفاده از مدل‌های پیشرفته مبتنی بر فعالیت (مانند NRTL یا UNIQUAC) در صورت وجود داده‌های مناسب، یا استفاده از یک معادله حالت قوی (مانند Peng-Robinson یا Soave-Redlich-Kwong) برای هندل کردن متان (به‌عنوان جزء گازی) و فازهای مایع، حیاتی است. انتخاب نادرست مدل خواص، منجر به نتایج شبیه‌سازی نامعتبر خواهد شد.

واحد عملیاتی RadFrac: قلب شبیه‌سازی تقطیر

واحد RadFrac در Aspen Plus قدرتمندترین و دقیق‌ترین (Rigorous) ماژول برای شبیه‌سازی برج‌های تقطیر، جذب‌کننده و استریپر است. این ماژول بر اساس حل همزمان معادلات موازنه جرم، انرژی و تعادل فازی برای هر سینی (Stage) عمل می‌کند. برای جداسازی مورد نظر (متان، استون، کتون) که احتمالاً یک جداسازی سه‌مرحله‌ای (Methane/Acetone/Ketone) را در یک یا چند برج می‌طلبد، RadFrac انعطاف لازم برای تعریف ساختارهای مختلف کندانسور و ریبویلر را فراهم می‌سازد.

مراحل شبیه‌سازی جداسازی متان، استون و کتون

شبیه‌سازی فرآیند در RadFrac شامل سه مرحله اصلی است: تعریف ورودی‌ها، تعیین مشخصات برج و تنظیم شرایط عملیاتی.

۱. تعریف خوراک و شرایط سیستم

ابتدا باید مشخصات جریان خوراک ورودی (Composition، Temperature، Pressure و Flowrate) به‌طور دقیق وارد شوند. در این مرحله، باید اطمینان حاصل شود که خوراک به لحاظ فازی (بخار، مایع یا مخلوط) به‌درستی تعریف شده باشد.

۲. مشخصات ساختاری برج

در این بخش، پارامترهای فیزیکی برج تعریف می‌شوند که شامل تعداد سینی‌ها (Number of Stages)، محل ورود خوراک (Feed Stage) و نوع کندانسور (Condenser Type) و ریبویلر (Reboiler Type) است. با توجه به وجود متان، استفاده از کندانسور جزئی (Partial Condenser) که اجازه خروج فاز بخار متان را می‌دهد، ضروری است.

۳. تعیین مشخصات عملیاتی و همگرایی

برای هدایت شبیه‌سازی به یک پاسخ منحصربه‌فرد، نیاز به ارائه مشخصات عملیاتی است. این مشخصات می‌توانند شامل نسبت بازگشت (Reflux Ratio)، دبی محصول بالایی (Distillate Flowrate) یا مشخصات خلوص یک جزء کلیدی (Key Component Purity) باشند. با توجه به ماهیت جداسازی، معمولاً از دو مشخصه برای دستیابی به خلوص مطلوب در محصول بالایی (خلوص متان یا استون) و محصول پایینی (خلوص کتون) استفاده می‌شود. پس از اجرای شبیه‌سازی، تحلیل همگرایی (Convergence) و بررسی توزیع دما و دبی روی سینی‌ها، برای اطمینان از نتایج فیزیکی و معتبر الزامی است.

چالش‌های جداسازی و تحلیل نتایج

بزرگ‌ترین چالش در این سیستم، جداسازی متان از استون است. متان به‌عنوان سبک‌ترین جزء، در محصول بالایی متمرکز می‌شود؛ اما کنترل دمای کندانسور برای به حداقل رساندن اتلاف استون از طریق محصول بخار بالایی حیاتی است. در نهایت، تحلیل پروفایل‌های دمایی، دبی‌ها و غلظت اجزا در طول برج، نشان می‌دهد که آیا خلوص‌های مورد نظر برای محصولات بالایی، جانبی و پایینی (در صورت وجود برج‌های دیگر) حاصل شده‌اند یا خیر. این تحلیل‌ها، پایه و اساس بهینه‌سازی طراحی برج تقطیر را تشکیل می‌دهند.

کلیدواژه ها : شبیه‌سازی فرایند جداسازی استون-کتون-متان-اسپن-پلاس- مدل برج تقطیر RadFrac- انتخاب مدل خواص ترمودینامیکی-Aspen-Plus-جداسازی-مخلوط چند جزئی-تقطیر-مجزاکننده- تعیین مشخصات عملیاتی-برج تقطیر