فصل اول عملیات واحد: تقطیر مقدمه تعادلات بخار مایع

Transcript

1 فصل اول عملیات واحد: تقطیر مقدمه 1( برخلاف تبخیر تقطیر در جداسازی محلول هایی به کار می رود که کلیۀ سازندگان آن به میزان قابل توجهی فرار می باشند. 2( جداسازی مستقیم و تهیۀ محصولات خالص بدون نیاز به عملیات بعدی که معمولا توسط تقطیر امکان پذیر است فرآیند اخیر را به عنوان مهمترین عملیات انتقال جرم درآورده است. 3( در مواردی که محصول خالص مدنظر باشد روش های غیرمستقیم انتخاب مناسبی برای جداسازی نمی باشد. 4( اگر افزایش حجم با دما یکنواخت باشد تقطیر ساده مناسب است و اگر افزایش حجم با دما یکنواخت نباشد تقطیر جزء به جزء مناسب است. تعادلات بخار مایع 1( نقطۀ جوش مادۀ خالص فقط به فشار بستگی دارد اما برای محلول های چندجزئی نقطۀ جوش علاوه بر فشار به غلظت سازندگان نیز بستگی دارد. تعادل در فشار ثابت T xy تعادل فازهای بخار و مایع در فشار ثابت 1( نقطۀ جوش یک محلول فاقد معنی است زیرا عمل تبخیر در یک محدودۀ دما از نقطۀ حباب تا شبنم انجام می گیرد. 2( اگر فشار را زیاد کنیم نقطۀ جوش )و نقطۀ شبنم( مادۀ خالص بالا می رود و منحنی های جوش و شبنم به هم نزدیکتر می شوند.

2 3( با افزایش فشار منحنی تعادلی xy به خط x = y نزدیکتر شده و در نتیجه جداسازی اجزاء سختتر می شود. اثر افزایش فشار در شکل زیر نشان داده شده است. 4( با توجه به نمودار T xy چون منحنی شبنم بالاتر از منحنی جوش قرار دارد بنابراین درجه حرارت فاز بخار بیشتر از درجه حرارت فاز مایع است. این حالت در تمامی مواقع بجز در نقطۀ آزئوتروپ صادق است. T xy 5( در برج تقطیر تغییرات فشار کم ولی تغییرات دما زیاد است به همین جهت منحنی کاربرد بیشتری دارد. 6( هر چه فشار بیشتر شود منحنی تعادلی به خط y = x نزدیکتر شده و ضریب فراریت )α( کاهش مییابد. از طرف دیگر با تغییر غلظت در محلول مقدار ضریب فراریت تغییر میکند و برای جزء مولیهای نزدیک به یک بیشتر از جزء مولیهای نزدیک به صفر است. به عنوان مثال: (I) y = 3x 2x + 1 α 1 = 3 (II) y = 2.2x 1.2x + 1 α 2 = 2.2 α 1 > α 2 P 1 < P 2

3 تعادل در دمای ثابت P xy تعادل فازهای بخار و مایع در دمای ثابت P xy 1( اگر دما را زیاد کنیم منحنی بالا رفته و باریکتر شده و منحنی تعادلی xy به خط x = y نزدیکتر می شود. انحراف از حالت ایده آل 1( اگر فشار کل مخلوط از فشاری که بر اساس روابط محلول های کامل محاسبه می شود بزرگتر باشد مخلوط دارای انحراف مثبت و اگر کوچکتر باشد دارای انحراف منفی از قانون رائولت است. انحراف مثبت از حالت ایده آل انحراف منفی از حالت ایده آل

4 2( وقتی جزء مولی یک سازنده در مخلوط به سمت واحد میل کند فشار جزئی آن سازنده به سمت حالت کامل میل خواهد کرد. به عبارت دیگر قانون رائولت در مورد سازندهای که غلظت آن در مخلوط زیاد است صادق می باشد. این مطلب برای کلیۀ مواد باستثنای آنهایی که در فاز بخار همبسته تشکیل می دهند و یا در فاز مایع تفکیک می شوند صادق است. 3( بسیاری از مخلوطها دارای انحراف مثبت از حالت ایده آل هستند. سیستم های آزئوتروپی )هم جوشی( 1( در برخی موارد که فشارهای بخار 2 سازنده تفاوت زیادی با هم ندارند با منحنی های تعادلی سروکار داریم که در این منحنی ها در یک نقطه ترکیب درصد فازهای بخار و مایع با هم برابر هستند )x y(. = این سیستم ها را سیستم های آزئوتروپی گویند. در این حالت انحراف از حالت ایده آل زیاد است که با توجه به نوع انحراف از حالت کامل با دو نوع سیستم آزئوتروپی مواجه هستیم: T xy دما از دمای اشباع تک تک 1. حداقل نقطۀ جوش )فشار ماکزیمم(: 2( اگر در نقطه ای از منحنی P xy فشار کل مخلوط از فشار اشباع تک تک اجزاء بیشتر و یا در منحنی اجزاء کمتر باشد سیستم دارای آزئوتروپ با حداقل نقطۀ جوش )فشار ماکزیمم( است. مخلوط همجوش با حداقل نقطۀ جوش 3( چون در نقطۀ هم جوش = 1 α می باشد سازندگان محلول هایی از این نوع را نمی توان به روش تقطیر معمولی به طور کامل از یکدیگر جدا نمود. در بعضی موارد با تغییر فشار هم جوشی را از بین می برند. 4( با توجه به منحنی xy در فشار ثابت قبل از نقطۀ آزئوتروپ y از x و پس از آن x از y بیشتر می باشد. 5( اگر فشار کل واقعی در یک نقطه از فشار اشباع تک تک اجزاء بیشتر باشد سیستم حتما دارای آزئوتروپ است ولی ممکن است نقطۀ موردنظر نقطۀ آزئوتروپ نباشد. 6( اگر در درصد ترکیبی از مخلوط فشار کل واقعی از فشار اشباع مادۀ فرارتر کمتر و از فشار اشباع مادۀ غیرفرارتر بیشتر باشد مشخص نیست که سیستم آزئوتروپ دارد یا نه زیرا امکان وجود آزئوتروپ در ترکیب نسبی دیگری وجود دارد.

5 2( در نقطۀ آزئوتروپ داریم: P t x = 0 P t y = 0 P t = P A + P B = x A P sat sat محلول ایده آل هیچ وقت تشکیل آزئوتروپ نمی دهد. بنابراین با توجه به معادلۀ A + (1 x A )P B 8( یکی از مهمترین این مخلوطها آب و اتانول می باشد که نقطۀ همجوشی آنها در فشار اتمسفر دمای 28.2 جزء مولی و جزء جرمی است. با کاهش فشار تا 20mmHg نقطۀ همجوشی این مخلوط حذف می شود. 2. حداکثر نقطۀ جوش )فشار مینیمم(: 1( اگر در نقطه ای از منحنی P xy فشار کل مخلوط از فشار اشباع تک تک اجزاء کمتر باشد سیستم دارای آزئوتروپ با حداکثر نقطۀ جوش )فشار مینیمم( می باشد. به عبارت دیگر در منحنی T xy دما از دمای اشباع تک تک اجزاء بیشتر می باشد. مخلوط همجوش با حداکثر نقطۀ جوش 2( با توجه به منحنی xy قبل از نقطۀ آزئوتروپ x از y و پس از آن y از x بیشتر است. 3( یکی از معروفترین مخلوطهایی که دارای آزئوتروپ با حداکثر نقطۀ جوش می باشد اسیدکلریدریک و آب است. از این خاصیت در استاندارد کردن اسید کلریدریک استفاده می کنند. 4( در این نوع آزئوتروپ از پایین برج محصول سبکتر و از بالای برج محصول در نقطۀ آزئوتروپ خارج میشود. درجۀ آزادی فرآیند تقطیر F = 2 π + N r s درجۀ آزادی سیستم از فرمول زیر محاسبه می شود: که در آن: F: درجۀ آزادی

6 N: تعداد سازندهها π: تعداد فازها r: تعداد واکنشهای مستقل s: تعداد روابط محدودکننده * اگر در برج تقطیری فشار ثابت باشد = 1 s است. * وجود آزئوتروپ یک رابطۀ محدودکننده به حساب می آید. نمودار آنتالپی غلظت ( xy )H نمودار آنتالپی - غلظت H xy 1( اطلاعات مربوط به نمودار در فشار ثابت ΔH( Q( = بدست می آیند. 2( در تصویر H xy خطوط رابط افقی نیستند. 3( ناحیۀ زیر منحنی H L است. مربوط به مایع سرد و ناحیۀ بالای منحنی H G مربوط به بخار داغ و ناحیۀ بین H L و H G مربوط به سیستم دوفازی 4( در صورتی که گرمای نهان تبخیر A و B با یکدیگر برابر و ظرفیت های حرارتی دو سازنده در محدودۀ دمای موردنظر ثابت و گرمای انحلال برابر صفر باشد منحنی های H Lx و H Gy به صورت خطوط مستقیم و موازی یکدیگر می باشند. اگر سیستمی دارای نقطۀ آزئوتروپ باشد شیب خطوط رابط در منحنی H xy در محدودهای مثبت و در حدودهای منفی و در نقطۀ )5 آزئوتروپ بی نهایت می شود.

7 6( شیب خط رابط در نمودارهای H xy P xy T xy بهترتیب افقی افقی و متغیر میباشد. تبخیرکنندۀ ناگهانی 1( تبخیر ناگهانی )تقطیر تعادلی یا تقطیر ناگهانی( یک فرآیند تک مرحله ای است که در آن ابتدا مایع را گرم کرده و بعد فشار را کاهش می دهند. در نتیجه قسمتی از مایع به حالت بخار درمیآید که بخار حاصله در حالت تعادل با مایع باقی مانده می باشد. سپس فازهای بخار و مایع در یک دستگاه جداکننده از یکدیگر جدا می شوند. تقطیر تعادلی هم به شکل ناپیوسته و هم بصورت مداوم قابل استفاده است. شکل زیر یک فرآیند تبخیر ناگهانی را نشان می دهد: تبخیر ناگهانی 2( مایع W و بخار D همواره در حال تعادل هستند. مایع W در نقطۀ جوش و بخار D در نقطۀ شبنم می باشد. 3( فشار پس از شیر فشارشکن که کاملا آدیاباتیک فرض می شود کمتر از فشار خوراک اولیه است. اگر در مسألهای فشار کل یا فشار تبخیرکننده مطرح نشده باشد منظور فشار پس از شیر فشارشکن است. نمودار xy فرآیند تبخیر ناگهانی نمودار آنتالپی غلظت مربوط به تبخیر ناگهانی

8 4( در تبخیرکنندۀ ناگهانی خوراک ورودی به برج معمولا شامل مخلوط بخار و مایع می باشد ولی می تواند به صورت دیگر نیز باشد. حالات مختلف خط کار با توجه به نوع خوراک به صورت زیر می باشد. اگر خوراک ورودی مایع جوش باشد )0 = D( مقدار اگر خوراک ورودی بخار اشباع باشد )0 = W( مقدار 5( تقطیر ناگهانی اگر: فرآیند تبخیر ناگهانی برای انواع خوراک W D W D برابر بینهایت شده و خط کار عمودی می شود. برابر صفر شده و خط کار افقی می شود. در دمای جوش خوراک باشد غنیترین بخار حاصل میشود. در دمای شبنم خوراک باشد رقیقترین مایع حاصل میشود. 6( خوراک ورودی به برج تقطیر ناگهانی به صورت دوفازی است لذا دمای برج تقطیر ناگهانی بین نقطۀ جوش خوراک و نقطۀ شبنم خوراک متغیر است. 2( با افزایش دما در فشار ثابت درون برج تقطیر ناگهانی غلظت مادۀ فرار در مایع و بخار کاهش می یابد. 8( تقطیر آنی بر اساس کاهش فشار عمل میکند که توسط شیر فشارشکن محقق می شود. تبخیر ناگهانی چندجزئی با استفاده از معادلات زیر میتوان حالت مخلوط ورودی را مشخص کرد. مایع متراکم n i i=1 Z i k اگر < 1 مایع اشباع n i i=1 Z i k اگر = 1 Z i n n اگر > 1 i i=1 Z i k و > 1 i=1 n اگر = 1 i=1 دوفازی )تبخیر ناگهانی( k i Z i k i Z i n اگر < 1 i=1 بخار اشباع بخار داغ k i

9 تقطیر دیفرانسیلی یا ساده 1( اگر یک مایع را به دفعات بیشماری به صورت متوالی تبخیر ناگهانی کنیم و تنها مقدار ناچیزی از مایع در هر مرحله تبخیر شود نتایج نهایی چنین فرآیندی معادل با تقطیر دیفرانسیلی و یا سادۀ آن مایع خواهد بود. تقطیر دیفرانسیلی را تقطیر ناپیوسته هم میگویند. 2( در تقطیر ناپیوستۀ دیفرانسیلی با گذشت زمان غلظت محصول کاهش می یابد. لذا برای ثابت ماندن غلظت محصول مقداری از محصول را به ظرف تقطیر باز میگردانند در نتیجه با گذشت زمان و برای ثابت ماندن غلظت محصول باید مقدار بیشتری از محصول به ظرف تقطیر بازگردانده شود و در نتیجه بار حرارتی کندانسور با گذشت زمان افزایش می یابد. تقطیر مداوم )پیوسته( 1( نمایی از یک برج تقطیر مداوم در شکل زیر نشان داده شده است. برج تقطیر مداوم

10 2( تقطیر مداوم در یک برج به صورت موازی و غیرهمسو انجام می شود. خوراک معمولا وارد مرکز برج می شود. خوراک می تواند مایع سرد مایع جوش بخار اشباع مخلوط مایع و بخار و یا بخار داغ باشد ولی معمولا مایع جوش است. شود. 3( به قسمت فوقانی محل ورود خوراک بخش جذب )منطقۀ تصفیه یا غنی سازی( گفته می شود. در این بخش با حرکت بخار به سمت بالا جزء غیرفرار موجود در بخار توسط مایعی که به سمت پایین در حرکت است جذب می شود. در نتیجه بخار از جزء فرار غنیتر می شود. 4( بخار خروجی از بالای برج وارد کندانسور می شود که بخشی از آن به عنوان محصول مقطر )Distillate( )که ممکن است مایع بخار و یا مخلوط هر دو باشد( از بالای برج گرفته می شود. بخش دیگر که به جریان برگشتی )Reflux( موسوم است به صورت مایع به برج برمیگردد. جریان برگشتی تأمینکنندۀ مایع بالای برج است. مایع برگشتی باعث افزایش خلوص جزء فرار در بالای برج و افزایش هزینه می 5( ناحیۀ پایینی محل ورود خوراک به بخش دفع یا خروجی موسوم است. در این بخش جزء فرار از مایع توسط بخار حاصل از تبخیر جزئی مایع تحتانی در جوش آور )ریبویلر( دفع می شود. 6( مایع خروجی از پایین برج که از سازندۀ غیرفرار غنی است به نام پسماند )Residue( یا محصول تحتانی معروف است. 2( در ابتدای کار برج تا موقعی که به وضعیت پایدار نرسیدیم محصول از بالا و پایین برج گرفته نمی شود. 8( در داخل برج همواره مایع و بخار به ترتیب در دماهای حباب )جوش( و شبنم می باشند. بنابراین حداکثر دما در پایین برج که مایع غنی ). از جزء غیرفرار و حداقل دما در بالای برج که مایع غنی از جزء فرار است می باشد. نیستند. اگر مایع و بخار در تماس با یکدیگر نباشند مایع همیشه در نقطۀ جوش و بخار همیشه در نقطۀ شبنم است ولی در تعادل با یکدیگر 10( میزان خلوص محصولات خروجی بستگی به نسبت مایع به گاز و تعداد مراحل در برج دارد. به طور کلی هرچه بخار و مایع بیشتر شود L V بازده و خلوص بالاتر می رود ولی باید به منطقۀ عملیاتی مناسب برج هم توجه شود. 11( نسبت دارا میباشد. در یک برج تقطیر در تمام طول برج ثابت است زیرا مایع برگشتی به برج مقدار بسیار بزرگتری نسبت به مقدار خوراک ورودی + 1 تعداد جریان جانبی + تعداد خوراک = تعداد منحنی عملیاتی 12( داریم: 13( اگر بخار خروجی از ریبویلر یک برج تقطیر سینی دار به حالت بخار داغ وارد برج شود در اولین سینی از پایین برج به حالت نرمال نقطۀ شبنم باز می گردد. 14( نسبت برگشت بزرگترین نسبت برگشت بین تمام نسبت برگشت هایی است که تعداد سینیها را بی نهایت می کند.

11 15( مناسبترین روش برای جبران عملکرد ریبویلر بطوری که بازدۀ برج کاهش نیابد بالا بردن شرایط خوراک ورودی به سطح بالاتری از انرژی می باشد. 16( قطر برج متناسب با دبی است. در صورتی که دبی بالا و پایین محل ورود خوراک تفاوت زیادی )بیش از %20( داشته باشند برج با دو قطر ساخته می شود. x F 12( در x W x D ثابت و R معین در حالت خوراک سرد خطوط عمیاتی از منحنی تعادلی دورتر بوده و در نتیجه تعداد مراحل کمتری داریم. 18( در یک برج تقطیر چنانچه خوراک ورودی به برج به دلایلی از حالت مایع اشباع به حالت بخار اشباع تغییر کند می توان با افزایش بار حرارتی کندانسور و نیز کاهش میزان دبی محصول بالای برج مانع از تغییر خلوص محصولات نسبت به حالت اولیه شد..1( افزایش شدت جریان بخار تولیدی توسط ریبویلر تا رسیدن به نقطۀ طغیان سبب خروج بیشتر گازهای سبک از جریان مایع می شود. در نتیجه خالصترین ترکیب سنگین بدست می آید. 20( می بایست از اتلاف دما از بدنۀ برج تقطیر جلوگیری کرد زیرا باعث افزایش بار حرارتی ریبویلر برج و گرانتر شدن هزینۀ طراحی میشود. لذا با جلوگیری از آن میتوان از تعداد سینیهای کمتری در برج بهره برد. 21( میزان تبادل جرم در سینیهای بالای برج تقطیر کمتر از سینیهای پایین برج تقطیر است چرا که نسبت ارتفاع زیاد نمودار پلکانی در روش مک-کیب در پایین برج نسبت به بالای برج مبین همین مطلب است. روش پانچون-ساواریت L V در پایین برج بیشتر میباشد. روش پانچون-ساواریت روشی دقیق بر مبنای موازنۀ انرژی است و تنها شرط لازم برای آن عدم اتلاف حرارتی است که معمولا برقرار است. کندانسور کامل 1( در این کندانسور مطابق شکل زیر بخار ورودی به کندانسور کاملا به مایع تبدیل می شود. کندانسور کامل H xy 2( نمودار برای یک کندانسور کامل به صورت زیر می باشد:

12 کندانسور کامل با مایع برگشتی سرد نمودار H xy کندانسور کامل 1( اگر بخار خروجی از بالای برج در کندانسور بیش از حد سرد شود در این حالت مایع برگشتی و محصول خروجی از بالا دیگر در حالت اشباع نبوده بلکه مایع سرد می باشند. نمایی از این کندانسور در شکل زیر نشان داده شده است. کندانسور کامل با مایع برگشتی سرد H xy 2( نمودار برای مایع برگشتی سرد مطابق شکل زیر می باشد.

13 نمودار H xy و xy کندانسور کامل با مایع برگشتی سرد 3( در این حالت مایع برگشتی نسبت به حالت اشباع بیشتر و تعداد مراحل کمتر است. کندانسور جزئی 1( در این کندانسور بخشی از بخار خروجی از بالای برج که برابر با مایع برگشتی به برج است به مایع تبدیل می شود. نمایی از یک کندانسور جزئی در شکل زیر نشان داده شده است. کندانسور جزئی 2( نمودار H xy و xy مربوط به کندانسور جزئی و همچنین نحوۀ تعیین تعداد مراحل در شکل زیر نشان داده شده است.

14 3( نتایج حاصل از بکارگیری کندانسور جزئی عبارت است از: بود. نمودار H xy و xy کندانسور جزئی اگر زمان تماس بین محصول بخار و مایع برگشتی کافی باشد دو فاز به حال تعادل در خواهند آمد. اگر محصول مقطر با همان سرعت تشکیل خارج شود یک عمل میعان دیفرانسیلی صورت می پذیرد. اگر عمل تبرید بسیار سریع باشد انتقال جرم بین بخار و محصول مقطر اندک بوده و ترکیب نسبی هر دو فاز عملا یکسان خواهد 4( در شمارش تعداد مراحل به روش ترسیمی کندانسور جزئی اولین مرحله از بالا است. 5( گاهی اوقات از دو کندانسور به طور متوالی استفاده می شود که اولی برای ایجاد جریان برگشتی و بعدی برای تولید محصول مایع است. 6( مفهوم فیزیکی خط کار مکان هندسی نقاطی است که در آنها اختلاف بین جریان مولی مایع و بخار ثابت است. 2( بار حرارتی کندانسور جزئی کمتر از کندانسور کامل است. لذا استفاده از کندانسور جزئی مقرون بهصرفهتر است. معادلۀ خط کار پایین برج )بخش دفع یا عاری سازی(

15 نمودار H xy و xy بخش دفع

16 دستیابی به محل ورود خوراک نمودار H xy و xy مربوط به برج تقطیر 1( محل برخورد منحنی های عمل بالا و پایین برج محل ورود خوراک را مشخص می کند. H xy 2( با توجه به نوع خوراک محل نقطۀ F در منحنی فرق می کند. محل خوراک با توجه به نوع خوراک در نمودار زیر نشان داده شده است.

17 موقعیت خوراک در حالت های مختلف 3( خوراک به حالت مایع را از بالای سینی خوراک و به حالت بخار را از زیر سینی خوراک وارد برج می کنیم. 4( در صورتی که خوراک مخلوطی از بخار و مایع باشد بایستی آن ها را ابتدا در خارج از برج از یکدیگر جدا کرده و مایع را از بالا و بخار را از زیر سینی خوراک وارد کنیم. ولی معمولا به دلیل به صرفه نبودن اقتصادی این کار صورت نمی گیرد. چنین کاری فقط اثر ناچیزی بر تعداد سینی ها دارد. 5( اگر خوراک در جایی غیر از نقطۀ بهینه وارد شود تعداد سینی های موردنیاز افزایش می یابد. 6( سینی خوراک جزء بخش دفع یا عاریسازی میباشد. افزایش نسبت جریان برگشتی 1( با افزایش نسبت جریان برگشتی نقطۀ تفاضل D L n G n+1 دارای عرض و یا مقدار Q بیشتری می شود نظر به اینکه F D و W همواره بر روی یک خط مستقیم قرار دارند افزایش نسبت جریان برگشتی سبب پایین آمدن محل نقطۀ W می گردد. این تغییرات منجر به افزایش و کاهش مقدار L m G m+1 و در نتیجه نزدیکتر شدن خطوط عامل در نمودار xy به قطر مربع می شود. به این علت تعداد سینی های موردنیاز کمتر می گردد ولی مقادیر G L L Q B Q C و G افزایش می یابد. همچنین سطوح انتقال حرارت در کندانسور و جوشآور و سطح مقطع برج به منظور پذیرش بار بیشتر باید بزرگتر شوند. 2( اگر مقدار مایع روی سینی زیاد شود L زیاد و D کم می شود. در نتیجه R زیاد خواهد شد و با افزایش R تعداد مراحل کم می شود. 3( در حالتی که برج با کمترین میزان مایع برگشتی کار میکند تعداد سینیها در نزدیکی مکان ورود خوراک بینهایت میشود و این نشاندهندۀ این است که انتقال جرم صفر است. جریان برگشتی کامل )حداقل تعداد مراحل(

18 1( اگر نسبت جریان برگشتی R برابر بینهایت شود داریم: منطبق گردیده و نقاط بر روی نمودار L n = L m G n+1. در نتیجه هر دو منحنی عامل بر قطر مربع نمودار xy = 1 G m+1 N m در فواصل بینهایت واقع خواهند شد. در نتیجه تعداد سینی های لازم به حداقل ممکن H xy می رسد. این مورد در شکل زیر نشان داده شده است. حداقل نسبت جریان برگشتی )حداکثر تعداد سینی ها( 1( حداقل نسبت جریان برگشتی R m نمودار H xy و xy در حالت جریان برگشتی کامل در واقع حداکثر نسبتی است که در صورت به کار بردن آن تعداد سینی های لازم جهت انجام یک جداسازی مشخص به بی نهایت می رسد. به این علت اختلاف دما بین سینی ها کاهش یافته و تعدادی از سینی های پست سر هم در برج دمای یکسانی خواهند داشت. در این حالت بار حرارتی جوشآور و کندانسور در حداقل ممکن قرار دارند. 2( تعداد سینی ها زمانی بینهایت می شود که خط F D W بر راستای خط رابط عبوری از خوراک منطبق شود یا به عبارتی دیگر محل تقاطع خط عمل بالا و پایین برج روی منحنی تعادل xy قرار گیرد. این مطلب در مواردی که منحنی تعادلی بر روی محورهای xy دارای تقعر به سمت پایین باشد همواره صادق است. 3( در یک برج تقطیر تعدادی از سینیهای پشت سر هم میان برج حرارت یکسان داشتهاند. علت این پدیده حداقل شدن نسبت جریان برگشتی برج می باشد. 4( حداقل نسبت جریان برگشتی در حالتی رخ می دهد که خوراک ورودی سردتر از نقطۀ جوش خود باشد. ( R 5( با کاهش نسبت جریان برگشتی شیب خط عملیاتی ) 1 R منحنی تعادلی نزدیک شده و تعداد مراحل افزایش می کاهش و عرض از مبدأ آن ( x D R+1 ) افزایش یافته و در نتیجه خط عملیات به یابد.

19 6( همان طوری که در شکل زیر نشان داده شده همواره رسم خط رابط عبوری از F منجر به D min و در نهایت R m نمی شود. نمونه هایی از این مورد عبارتند از: مخلوط هایی با انحراف مثبت از حالت کامل که تمایل به ایجاد همجوشی دارند. تمام سیستم هایی که شرایط آن ها به شرایط بحرانی سازندۀ فرار نزدیک است. برخی از مخلوط ها با انحراف منفی از حالت کامل H xy نمودار در موارد خاص حداقل نسبت جریان برگشتی در این حالت R m واقعی از R m بهدست آمده به روش معمولی بیشتر است. همچنین در این حالت روش محاسباتی جواب درستی نمیدهد. بهترین نسبت جریان برگشتی نحوۀ تعیین بهترین نسبت جریان برگشتی 1( در حالت R m تعداد سینی ها و در نتیجه هزینۀ ثابت بی نهایت می شود اما هزینۀ عملیاتی )بار حرارتی جوش آور کندانسور دبی آب سرد و توان پمپ جریان برگشتی( حداقل می باشد.

20 افتد. 2( با افزایش R تعداد سینی ها به سرعت کاهش ولی قطر برج به علت ازیاد مقادیر مایع برگشتی و بخار به ازای واحد جرم خوراک افزایش می یابد. به علاوه کندانسور پمپ جریان برگشتی و جوشآور نیز بزرگتر می شوند. بنابراین هزینۀ ثابت ابتدا به حداقل رسیده و سپس افزایش می یابد و در جریان برگشتی کامل به بینهایت می رسد. نیازهای حرارتی و برودتی تقریبا به طور مستقیم با نسبت جریان برگشتی افزایش می یابند. بنابراین هزینۀ کل که مجموع هزینه های عملیاتی و ثابت است از یک مقدار حداقل که در نسبت جریان برگشتی بهینه رخ می دهد عبور می کند. این حالت اغلب در نسبت جریان برگشتی نزدیک به )1.5R تا 1.2R( m و به طور متوسط نزدیک به حد پایین اتفاق می انباره های جریان برگشتی کندانسورها و جوشآورها 1( انباره های جریان برگشتی معمولا مخازنی افقی هستند که نسبت طول به قطر آن ها بین 4 تا 5 و زمان ماندگاری مایع در آن ها در حدود 5 دقیقه است. دهند. 2( کندانسورها مبدل های حرارتی لولهای هستند که به شکل افقی و گاهی عمودی قرار می گیرند. کندانسورها را ممکن است در بالای برج قرار دهند تا جریان برگشتی در اثر نیروی ثقل جاری شود ولی معمولا به علت سهولت ساخت و تمیز کردن نزدیک سطح زمین قرار می 3( سیال مبرد اغلب آب است. بنابراین فشار برج باید به اندازه ای باشد که اختلاف دمای قابل ملاحظه ای بین آب و بخار ایجاد شود تا عمل )4 میعان سریعا صورت پذیرد ولی هزینۀ برج با افزایش فشار افزایش می یابد. کنند. در موردی که محصول مقطر بسیار فرار باشد باید از یک سیال مبرد در دمای پایین استفاده نمود. اگر محصول مقطر در کندانسور تا نقطۀ حباب سرد شود به منظور جلوگیری از اتلاف ناشی از تبخیر در حین ذخیره کردن محصول آن را در مبدل دیگری بیشتر سرد می 5( جوشآورها مبدل های حرارتی هستند که جهت انتقال گرما و تولید بخار در انتهای برج های تقطیر بکار می روند. انواع مختلف جوشآورها در شکل زیر نشان داده شده است.

21 انواع جوش آورها 6( در برج های تقطیر کوچک که در مقیاس نیمه صنعتی ساخته می شوند با توجه به آن که ظرفیت اندکی از بخار لازم است از مبدل های حرارتی داخل و در انتهای برج استفاده می شود. این مبدل های حرارتی بخاری را وارد سینی انتهایی برج می کنند که عملا در حال تعادل با محصول پسماند است لذا آخرین واحد بخش غنی سازی در محاسبات نشانگر جوشآور می باشد. 2( در برج های تقطیر بزرگ از انواع جوشآورها در بیرون از برج استفاده می شود. 8( اگر جوشآور مورد استفاده از نوع سیفون حرارتی باشد مطمئنتر است که آن را به عنوان یک واحد تعادلی در نظر نگیریم..( در مورد سیالات با دمای جوش بالا به جای مبدل حرارتی می توان از یک کورۀ سوختسوز استفاده نمود. استفاده از بخار مستقیم 1( اگر در فرآیند تقطیر یک سیستم دوجزئی جزء غیرفرارتر آب باشد )مانند آب و آمونیاک( دیگر نیازی به استفاده از جوشآور نبوده و از بخار مستقیم در پایین برج استفاده می شود. زیرا در واحد عملیاتی بخار آب موجود بوده و تبدیل آب به بخار در ریبولر یک هزینۀ اضافی در بر دارد.

22 2( در یک نسبت جریان برگشتی و ترکیب نسبی معین محصول مقطر استفاده از بخار مستقیم سبب افزایش تعداد سینی های لازم در برج می شود ولی نسبت به استفاده از جوشآور ارزانتر بوده و هزینۀ تمیز کردن ندارد. 3( اگر در یک برج تقطیر از نوع بخار آب مستقیم از بخار آب داغ برای ورود به برج استفاده شود چون بخار داغ است مقداری از مایع را همراه خود تبخیر می کند لذا دبی بخار در سینی های پایین برج بیشتر از دبی بخار ورودی خواهد شد. 4( استفاده از بخار آب و حذف ریبویلر در برج تقطیر سینیدار در صورتی که خوراک یکسان و ترکیب محصول مقطر و نسبت جریان برگشتی یکسان باشد باعث افزایش تعداد سینیها خواهد شد. 5( قسمت پایین برج در این حالت در شکل زیر نشان داده شده از آن جایی که استفاده از بخار مستقیم تأثیری در محاسبات بخش غنیسازی برج ندارد این بخش در شکل نشان داده نشده ولی این عمل روی موازنه های کلی مواد و آنتالپی اثر دارد. 6( همان طور که در نمودار زیر نشان داده شده در نمودار کاربرد بخار مستقیم H xy نقاط 1+ G NP و W و W استفاده از بخار داغ می باشد. اگر از بخار اشباع استفاده شود 1+ G NP بر M منطبق می شود.( در یک راستا هستند. )شکل زیر مربوط به

23 تقطیر با چند خوراک 1( سیستمی با دو خوراک ورودی در شکل زیر نشان داده شده است. نمودار H xy و xy در حالت استفاده از بخار مستقیم

24 F 1 و F 2 خواهیم تقطیر با دو خوراک ورودی 2( در این سیستم علاوه بر نقاط تفاضل D و W که مطابق معمول برای بالا و پایین برج داریم یک نقطۀ تفاضل بین داشت که آن را M می نامیم. D در یک راستا هستند که M و F 2 W و همچنین M و D F 1 3( همان طوری که در شکل زیر نشان داده شده در نمودار H xy و F 1 و M بین F 2 بین M و W قرار دارند.

25 نمودار H xy و xy در حالت دو خوراک ورودی 4( به ازای اضافه شدن هر خوراک به تعداد خطوط عمل یکی اضافه می شود. برج با جریان جانبی 1( جریان های جانبی محصولاتی با ترکیب نسبی بینابین می باشند که از سینی های میانی برج گرفته می شوند. جریان های جانبی اغلب در تقطیر مواد نفتی پیش می آید که محصولاتی با ترکیب نسبی معین موردنیاز است و آن ها را نمی توان با مخلوط کردن محصولات مقطر یا پسماند با خوراک بدست آورد. جریان جانبی معمولا به صورت مایع جوش است اما در مقیاس پایلوت به صورت بخار نیز می تواند باشد.

26 2( اگر سیستمی مطابق شکل زیر دارای جریان جانبی باشد علاوه بر نقاط تفاضل W و D که مطابق معمول برای بالا و پایین برج داریم یک نقطۀ تفاضل هم بین S و F 1 خواهیم داشت که آن را M می نامیم. برج با جریان جانبی H xy 3( در نمودار نقاط S D و M و همچنین نقاط F M و W در یک راستا هستند. 4( به ازای اضافه شدن هر جریان جانبی به تعداد مراحل خطوط عمل یکی اضافه می شود. اتلاف حرارتی 1( با توجه به اینکه بیشتر برج های تقطیر در دمای بالاتر از دمای محیط عمل می کنند اتلاف حرارتی در طول برج اجتناب ناپذیر است زیرا مواد عایق نیز دارای ضریب هدایت حرارتی معینی می باشند. 2( اتلاف حرارتی سبب افزایش جریان برگشتی داخلی برج شده و در یک بار حرارتی معین کندانسور تعداد سینی های لازم جهت عمل جداسازی موردنظر کاهش می یابد. اما جوش آور نه تنها باید حرارتی گرفته شده در کندانسور را بلکه اتلاف حرارتی را نیز باید جبران کند. 3( برای یک بار حرارتی معین در جوش آور در صورت حذف اتلاف حرارتی تعداد سینی های لازم جهت انجام یک جداسازی مشخص کاهش می یابد. به همین دلیل برج ها را به دقت عایق کاری می کنند. روش مک کیب تیل 1( این روش تقریبی بوده و براساس موازنۀ مولی )نه جرمی( می باشد اما با توجه به فرضیات مهندسی به کار رفته جوابی نزدیک به روش پانچون ساواریت می دهد. 2( روش مک کیب تیل باستثنای مواردی که اتلاف حرارتی و یا گرماهای انحلال زیاد باشند بسیار مناسب است.

27 ( در این روش از دیاگرام xy استفاده می کنیم. فرضیات این روش عبارتند از: دبی مولی فازها در مقاطع مختلف درون برج ثابت است )بالا با هم پایین با هم(. گرمای نهایی مولی اجزاء برابر فرض می شود. گرمای انحلال )اختلاط( ناچیز فرض می شود. افت حرارتی وجود ندارد. فشار کل در برج ثابت است. دستیابی به معادلۀ خط عمل بالای برج کندانسور کامل جریان برگشتی در دمای نقطۀ حباب نمودار xy مربوط به بالای برج بخش غنی سازی

28 دستیابی به معادلۀ خط عمل پایین برج نمودار xy مربوط به پایین برج بخش غنی سازی اگر بخار خروجی از جوش آور در تعادل با محصول پسماند باشد اولین پله در ترسیمات پلکانی مبین جوش آور است. دستیابی به تعداد مراحل به روش مک کیب تیل 1( اگر غلظت مادۀ فرارتر در محصول پسماند و مقطر به ترتیب بسیار کم و بسیار زیاد باشد روش ترسیمی تعداد مراحل را در مقیاس لگاریتمی انجام می دهیم. 2( در بسیاری از محلول های کامل که α در کلیۀ غلظت ها تقریبا ثابت است روش محاسبات تحلیلی اسموکر را در تمام برج می توان به کار برد. 3( با توجه به اینکه حتی در سیستم هایی که فرضیات مک کیب صدق نمی کند شیب خطوط عامل در شرایط حدی تقریبا ثابت است می توان در این شرایط از معادلات کرمسر استفاده نمود. 4( اگر محصول بالایی و پایینی تقریبا خالص باشند در دو انتهای منحنی می توان از قانون رائول و هنری استفاده کرد. دستیابی به معادلۀ خط خوراک 1( برای یک خوراک معین با افزایش فشار q کاهش می یابد. 2( خط خوراک را می توان با استفاده از دو نقطۀ ) F z) F, z و محل تلاقی خط عمل بالا و پایین برج نیز بدست آورد. 3( دمای خوراک ورودی با دمای محل ورود خوراک در برج باید برابر باشد اگر خوراک به صورت مایع سرد باشد محل ورود آن باید دمایی کمتر از دمای حباب خوراک ورودی داشته باشد. با توجه به اینکه در برج تقطیر دما از بالا به پایین افزایش می یابد بنابراین در این حالت

29 خوراک باید در محلی بالاتر از نقطۀ ورود خوراک وارد برج شود. برای خوراک به صورت بخار داغ مشابه توضیحات فوق خوراک باید در محلی پایین تر وارد شود. 4( در جدول زیر مقادیر مختلف q و شیب خط خوراک برای انواع خوراک آورده شده است. q H F آنتالپی خوراک q q 1 H F < H L H F = H L H L < H F < H G H F = H G H F > H G q > 1 q = 1 0 < q < 1 q = 0 q < 0 q q 1 > 1 q q 1 = q q 1 < 0 q q 1 = 0 0 < q q 1 < 1 در جدول بالا H L و H G به ترتیب آنتالپی مایع و بخار اشباع می باشند. خوراک مایع سرد مایع جوش مخلوط مایع و بخار بخار اشباع بخار داغ 5( برای خوراک به صورت مایع جوش مخلوط مایع و بخار و بخار اشباع q برابر با کسری از خوراک که به صورت مایع اشباع است می باشد. در شکل زیر خط خوراک برای انواع خوراک آورده شده است. خط خوراک برای انواع خوراک ورودی 6( بهترین حالت خوراک ورودی به صورت دو فازی شامل 0.% مایع و مابقی بخار می باشد. اگر هدف دستیابی به خالصترین محصول در بالای برج باشد خوراک باید بهصورت مایع اشباع وارد برج شود.

30 2( در حالت خوراک سرد فاصلۀ خطوط عملیاتی از منحنی تعادلی بیشتر از حالت خوراک مایع اشباع میباشد. بنابراین تعداد مراحل کمتری نسبت به حالت مایع اشباع دارد. قطر ستون هم وابسته به دبی بخار است و در حالت مایع سرد G > G است لذا قطر ستون در قسمت دفع بیشتر میشود. 8( در حالت خوراک دوفازی خوراک را بدون جداسازی وارد برج میکنیم زیرا کمترین تأثیر را روی تعداد سینیهای موردنیاز دارد. حداقل نسبت جریان برگشتی )حداکثر تعداد سینی ها( 1( مطابق شکل زیر خط q را رسم می کنیم تا منحنی تعادلی را قطع کند. نحوۀ تعیین R m z D قطع کند. با توجه از نقطۀ ) D z) D, z به محل تلاقی خط q با منحنی تعادلی وصل کرده و ادامه می دهیم تا محور yها را در نقطۀ R m +1 به مختصات این نقطه R m بدست می آید. 2( ممکن است خطوط عملیاتی بالا و پایین منحنی تعادلی را مطابق شکل زیر قبل از رسیدن به محل تلاقی خط q و منحنی تعادلی قطع نماید. در این حالت رسم خطوط مماس بر منحنی تعادلی از نقطۀ ) D z) D, z و یا ) W z) W, z مقدار واقعی بدست آمده از روش معمولی بیشتر می باشد. R m را می دهند که از R m موارد خاص تعیین R m

31 استفاده از بخار مستقیم استفاده از بخار مستقیم 1( با توجه به نوع بخار خط عمل پایین برج تغییر می کند: نمودار xy در حالت استفاده از بخار مستقیم اشباع نمودار xy در حالت استفاده از بخار مستقیم داغ 2( دلیل استفاده از بخار مستقیم: زمانی که مخلوط از آب و مادۀ دیگری تشکیل شده باشد و این مخلوط بسیار رقیق باشد یعنی قسمت اعظم آن آب باشد و مادۀ فرار آب باشد. 3( خط عمل پایین برای حالات مختلف به طور خلاصه به صورت زیر می باشد: 1. بار ریبویلر 2. بدون ریبویلر بخار ورودی از پایین بخار داغ 3. بدون ریبویلر بخار ورودی از پایین بخار اشباع

32 خط عمل پایین برج در حالت های مختلف 4( در تقطیر یک مخلوط امتزاجناپذیر با آب که در دماهای بالا به جوش میآید از بخار مستقیم استفاده میشود. تقطیر با دو خوراک 1( برای سیستمی با دو خوراک مطابق شکل زیر سه منطقۀ عملیاتی و دو خط خوراک داریم. برج با دو خوراک ورودی 2( نمودار xy برای برج با دو خوراک به صورت کیفی در شکل زیر نشان داده شده است.

33 برج با جریان جانبی نمودار xy در حالت استفاده از دو خوراک ورودی 1( برای سیستمی با جریان جانبی مطابق شکل زیر سه منطقۀ عملیاتی داریم. معادلات خطوط عمل بالا و پایین برج مطابق معمول میباشند. برج با جریان جانبی 2( اگر چند خط عمیاتی داشته باشیم از بالای برج به پایین هرجا شیب خط عملیاتی کاهش یابد نشانۀ آن است که جریان جانبی داریم. 3( اگر n خط عملیاتی داشته باشیم 1 n خوراک یا جریان جانبی داریم. 4( نمودار xy برای برج با جریان جانبی به صورت کیفی در شکل زیر نشان داده شده است.

34 نمودار xy در حالت وجود جریان جانبی مطابق شکل فوق وجود جریان جانبی باعث نزدیک شدن خطوط عمل به منحنی تعادلی و در نتیجه افزایش تعداد مراحل می شود. تقطیر همجوش 1( این فرآیند یک حالت خاص از تقطیر چندجزئی است که جهت تفکیک برخی از مخلوط های دوجزئی که امکان جداسازی آن ها با تقطیر معمولی مشکل و یا غیرممکن است بکار می رود. )2 اگر فراریت نسبی یک مخلوط دوجزئی بسیار کم باشد تقطیر مداوم مخلوط جهت تهیۀ محصولات تقریبا خالص مستلزم به کار بردن نسبت جریان برگشتی بالا بار حرارتی زیاد و نیز سطح مقطع بزرگ و تعداد سینی های فراوان است. در موارد دیگر تشکیل مخلوط همجوش دوجزئی تهیۀ محصولات خالص به روش تقطیر معمولی را امکان پذیر می سازد. در تحت چنین شرایطی یک سازندۀ دیگر که گاهی خارجکننده نامیده می شود به مخلوط دوجزئی می افزایند تا مخلوط همجوش جدیدی با دمای جوش پایین با یکی از سازندگان اصلی تشکیل دهند. فراریت نسبی همجوش جدید چنان است که جدا شدن آن از سازندۀ اصلی دیگر به آسانی امکان پذیر می باشد. 3( یک مثال آن جداسازی آب و استیک اسید است که هزینۀ تفکیک آن به روش های ساده به علت پایین بودن فراریت نسبی سازندگان علیرغم تفاوت قابل ملاحظه در نقاط جوش آن ها بسیار زیاد است. مادۀ افزودنی باید یک مخلوط همجوش با دمای جوش پایین با یکی از سازندگان مخلوط دوجزئی ترجیحا سازنده ای که مقدار آن کمتر است تشکیل دهد تا بار حرارتی موردنیاز در تحول کاهش یابد. 4( ضریب فراریت مخلوط همجوش جدید باید زیاد باشد و نیز مقدار ناچیزی از مادۀ خارج کننده در محصول پسماند به جای بماند. مخلوط همجوش جدید باید ترجیحا فاقد مقدار قابل توجهی از خارج کننده باشد تا میزان تبخیر در تقطیر کاهش یابد و نیز ترجیحا از نوع مایع ناهمگون باشد تا بازیابی خارج کننده تسهیل یابد. 5( مهمترین عامل در تقطیر همجوش انتخاب مادۀ خارج کننده می باشد. 6( در تقطیر یک مخلوط دوتایی با همجوشی ماکزیمم قبل از نقطۀ همجوشی y < x و بعد از آن y > x می باشد.

35 تقطیر استخراجی 1( این نوع تقطیر از نظر اصول مشابه تقطیر همجوش است با این تفاوت که به یک مخلوط دوجزئی که جداسازی آن با روش های معمولی مشکل و یا غیرممکن است یک سازندۀ سوم که حلال نامیده می شود می افزایند که فراریت های نسبی سازندگان اصلی را تغییر داده و عمل جداسازی را امکان پذیر می سازد. 2( تقطیر استخراجی وقتی استفاده می شود که تقطیر معمولی برای سیستم دوجزئی موردنظر به دلیل ضریب فراریت پایین نیاز به برجی قطور و بلند باشد. 3( البته حلال افزوده شده باید فراریت ناچیزی داشته باشد و به میزان قابل توجهی نیز در برج تقطیر تبخیر نشود. 4( اگر دو ماده ای که باید از یکدیگر جدا شوند از نظر شیمیایی بسیار مشابه باشند باید از حلالی با خواص شیمیایی متفاوت استفاده شود. 5( معمولا تقطیر استخراجی مطلوبتر از تقطیر همجوش است زیرا: 1. انتخاب بیشتری برای مادۀ افزودنی وجود دارد زیرا این فرآیند وابسته به تشکیل اتفاقی مخلوط همجوش نیست. 2. معمولا تبخیر حلال کمتر است. 6( جداسازی با تقطیر استخراجی و همجوش دارای نقاط ضعف زیر می باشند: 1. چون امکان حذف کامل حلال و یا خارج کننده وجود ندارد سبب اضافه شدن ناخالصی می شود. 2. چون نسبت مادۀ افزودنی باید 3 تا 4 برابر خوراک باشد معمولا اتلاف وجود دارد. 3. مخزن جداگانه ای برای مادۀ افزودنی باید ساخته شود. 4. هزینۀ بازیابی حلال ممکن است زیاد باشد. 2( بنابراین چنین فرآیندهایی تنها موقعی مدنظر قرار می گیرند که علیرغم نقاط ضعف موجود هزینۀ تولید محصول از آن ها کمتر از تقطیر معمولی باشد. تقطیر در فشار پایین بسیاری از مواد آلی تحمل گرما و افزایش دما را حتی تا حدود نقاط جوش نرمال خود نیز ندارند و اگر بخواهند چنین موادی را بوسیلۀ تقطیر از یکدیگر جدا نمود لازم است که فشار و دمای فرآیند پایین باشد. همچنین زمان قرار گرفتن این مواد در معرض حرارت هم باید به حداقل برسد تا از میزان تجزیۀ حرارتی آن ها کاسته شود. تقطیر مولکولی تقطیر مولکولی یک نوع تقطیر در فشار بسیار پایین )در فشارهای مطلق حدود 0.3 تا 3 نیوتن به مترمربع( است که جهت جداسازی مواد حساس در برابر گرما مناسب می باشد. همزدن شدید و یا جوشش که در فرآیندهای معمولی تقطیر مشاهده می شود در تقطیر مولکولی وجود ندارد.

36 فصل دوم عملیات واحد: استخراج مایع مایع مقدمه 1( استخراج مایع مایع که به آن استخراج با حلال هم گفته می شود یک فرآیند جداسازی غیرمستقیم و گاهی مستقیم است که در آن اجزاء یک محلول مایع بوسیلۀ تماس با یک مایع نامحلول دیگر جدا می شوند. معمولا پس از عمل استخراج یک عملیات جداسازی دیگر مانند مجاورسازی جذب گاز و یا تقطیر وجود دارد. 2( اساس جداسازی در استخراج مایع مایع اختلاف در خواص شیمیایی است. 3( موارد استفاده از عمل استخراج مایع مایع عبارتند از: در مواردی که جداسازی توسط عملیات تقطیر به سختی انجام می شود استخراج توسط یک حلال مناسب و سپس عمل تقطیر منجر به جداسازی نسبی مواد می شود. بهعنوان مثال جداسازی اسید استیک از آب. در مواردی که برای جلوگیری از تجزیۀ حرارتی مواد به دمای کمتر نیاز داریم استخراج می تواند جایگزین خوبی برای تقطیر یا تبخیر باشد. بهعنوان مثال در صنایع غذایی و داروسازی. در مواردی که با توجه به خلوص محصول موردنظر قیمت نسبی فرآیند استخراج مایع مایع نسبت به سایر عملیات های جداسازی کمتر باشد. اتمی. با توجه به اینکه در روش استخراج مایع مایع واکنشی صورت نمی گیرد و در نتیجه محصول جانبی نیز بدست نمی آید این فرآیند جایگزین مناسبی برای روش های شیمیایی می باشد. مانند جداسازی فلزات از محلول های رقیق و فرآیندهای تولید انرژی در مواردی که فشار بخار اجزاء به هم نزدیک باشد )ضریب فراریت نزدیک به یک( مانند جداسازی فرآورده های نفتی. در مواردی که آزئوتروپ وجود دارد. مانند مخلوط اتانول و آب. در سیستم هایی که مجبوریم تحت فشار خلاء کار کنیم. 4( در عمل استخراج نسبت به تقطیر انتخاب شرایط عملیاتی آسانتر صورت می گیرد چون نوع و مقدار حلال و همچنین دمای عملیاتی قابل تغییر است. 5( در مورد حلال های رقیق وقتی آب باید در عمل تقطیر جدا شود عمل استخراج اقتصادیتر است. )6 در شرایط کاملا یکسان بین دو عمل استخراج و تقطیر معمولا تقطیر انتخاب می شود. هر چند که نیاز به سیستم های گرمکننده و سردکننده می باشد زیرا در استخراج حلال را برای استفادۀ مجدد )معمولا از طریق تقطیر( باید بازیابی کرد و تلفیق این دو عملیات پیچیدهتر و گرانتر از تقطیر معمولی است. 2( اگر یک مخلوط مایع A و B با ویسکوزیتۀ زیاد داشته باشیم روش استخراج مایع مایع برای جداسازی A و B مناسب تر و آسان تر می باشد.

37 مختصات مثلث متساویالاضلاع مختصات مثلث متساوی الاضلاع 1( هر یک از سه رأس نشان دهندۀ یکی از مواد به صورت خالص است. فاصلۀ عمودی از هر نقطه مثل K بر ضلع AB نشان دهندۀ درصد C در مخلوط K و فاصله تا ضلع AC درصد B و فاصله تا ضلع BC درصد A را نشان می دهد. 2( هر نقطه که روی اضلاع مثلث قرار داشته باشد نشان دهندۀ یک مخلوط دوتایی است. به عنوان مثال نقطۀ D یک مخلوط دوتایی شامل A %80 و %20 B است. سیستم های سهگانۀ مایع با حلالیت جزئی یک زوج 1( این نوع سیستم یکی از اصلی ترین حالت های سیستم های استخراج است. یک نمونه از این سیستم ها سیستم بنزن )A( آب )B( و اسید استیک )C( است. 2( این مختصات در حالت دما ثابت )ایزوترم( استفاده می شود. با توجه به شکل زیر قسمت )a( مشاهده می شود که مایع C به طور کامل در A و B حل می شوند ولی A و B به مقدار محدودی در هم حل می شوند. ناحیۀ زیر منحنی منطقۀ دوفازی و مابقی منطقۀ تک فازی است. نقاط L و K به ترتیب محلول های اشباع غنی از A و B می باشند. هر مخلوط سهتایی مثل M که زیر منحنی قرار داشته باشد به دو فاز مایع نامحلول اشباع با ترکیب درصد تعادلی R )غنی از A( و E )غنی از B( تبدیل می شود. سیستم سه گانۀ مایع با حلالیت جزئی یک زوج

38 3( خط اتصال بین ترکیب درصدهای تعادلی خط رابط line( )Tie نامیده می شود که بایستی از نقطۀ M که کل مخلوط را نشان می دهد عبور کند. تعداد نامحدودی خط رابط در ناحیۀ دوفازی وجود دارد که تنها تعدادی از آن ها رسم شده اند. این خطوط اغلب موازی هم نیستند و ضریب زاویۀ آن ها به تدریج در یک جهت تغییر می کند. در تعداد کمی از سیستم ها که سیستم های سولوتروپیک نامیده می شوند جهت تغییرات ضریب زاویۀ خطوط رابط تغییر می کند و یکی از خطوط رابط افقی می شود. 4( نقطۀ P که پلیت )Plait( نامیده میشود آخرین خط رابط است. در این نقطه منحنیهای حلالیت فازهای غنی از A و B به هم میرسند. بهعبارت دیگر در نقطۀ P مقدار C در هر دو فاز یکسان است. این نقطه در منحنی حلالیت به ندرت بر ماکزیمم مقدار C منطبق میشود. 5( برابری x = y همیشه به معنای نقطۀ پلیت نیست بلکه ممکن است شیب خطوط رابط تغییر یافته باشند. y x 6( کسر ضریب توزیع نامیده می شود که در این حالت بزرگتر از یک است. 2( اگر مقدار غلظت C در دو انتهای خطوط رابط را برحسب هم رسم کنیم منحنی توزیع مطابق شکل بالا قسمت )b( حاصل می شود. مطابق شکل درصد C در محلول E بیشتر از مقدار آن در R است و گفته می شود که پخش شدن C در فاز غنی از B بهتر انجام می شود. 8( در نقطۀ پلیت ترکیب دو فاز استخراج شده و پسماند یکی است..( در عملیات استخراج مایع مایع در نقطۀ پلیت مقدار کشش بین سطحی حلال و خوراک به صفر تنزل می کند. 10( در عمل استخراج مایع مایع تک مرحلهای ضریب توزیع در دو فاز حلال و خوراک در حالت تعادل می تواند کوچکتر از یک باشد مشروط بر آنکه ضریب جداسازی بزرگتر از یک شود. 11( در عملیات استخراج مایع مایع به کمک حلال مایع به حلالی Solutropic گفته می شود که در آن شیب خطوط رابط تغییر علامت دهد و در آن یک خط رابط افقی )با شیب صفر( موجود باشد. است. 12( در صورتی که اندازۀ قطرات و اختلاف دانسیتۀ مایعات زیاد و ویسکوزیتۀ فاز پیوسته کم باشد سرعت جداسازی زیاد می شود. 13( اگر غلظت جزء جدا شونده در حلال صفر باشد و مقدار حلال بی نهایت باشد می توان به جداسازی 100 درصد دست یافت. 14( زمانی که به = 0 P برسیم به این معنا است که مقدار حلال خروجی به صفر رسیده است )0 = B( و محلول کاملا حلالزدایی شده 15( علاوه بر آنکه در نقطۀ پلیت y = x است در سیستمهای سولتروپیک هم در هنگام تغییر شیب خطوط رابط y = x است. لذا با برابری y = x بهطور قطع نمیتوان گفت که در نقطۀ پلیت قرار داریم. 16( در نقطۀ پلیت غلظت جزء اصلی در کل دستگاه استخراج یکنواخت و یکسان میباشد. در ضمن نقطۀ پلیت لزوما نقطۀ ماکزیمم در منحنی دوفازی نمیباشد.

39 افزایش یافته و در دمای بالا t 4 دمای اثر درجۀ حرارت و فشار 1( همان طوری که در شکل زیر نشان داده شده با افزایش درجۀ حرارت حلالیت دوتایی A و B بحرانی محلول کاملا در هم حل می شوند. اثر درجه حرارت روی تعادل سه تایی 2( مطابق شکل بالا با افزایش دما ناحیۀ دوفازی کوچکتر شده و امکان تغییر ضریب زاویۀ خطوط رابط هم وجود دارد. 3( به استثنای فشارهای خیلی بالا اثر فشار روی تعادل مایع آنقدر کم است که معمولا از آن صرفنظر می شود. بنابراین تمام نمودارها باید در فشارهای بالا به طوری که فاز بخار ظاهر نشود و تعادل مایع به هم نخورد رسم شوند. 4( در عملیات استخراج مایع مایع معمولا ناحیۀ دوفازی با افزایش دما کاهش و با افزایش فشار بی تغییر می ماند. سیستم های سهگانۀ مایع با حلالیت جزئی دو زوج 1( در شکل زیر مختصات مثلثی نمونه ای از این نوع سیستم ها آورده شده است. در این سیستم A و C به طور کامل در هم محلولند در حالی که زوج های A B و B C دارای حلالیت محدود هستند. نقاط J و K نشان دهندۀ حلالیت های دوتایی A و B و نقاط L و H برای حلالیت دوتایی B و C هستند. 2( منحنی KRH )غنی از A( و JEL )غنی از B( منحنی های حلالیت سه جزئی هستند و محلول های خارج از محدودۀ مشخص شده توسط این منحنی ها محلول تک فازی می باشد.

40 سیستم سه مایع A B و B C به طور جزئی قابل استخراج 3( اثر افزایش درجۀ حرارت بر این نوع سیستم ها در شکل زیر آورده شده است. اثر درجه حرارت روی منحنی تعادل سه تایی مختصات قائم )غلظت C نسبت به غلظت B( در مختصات مثلث متساوی الاضلاع مقیاس ها لزوما مشابه هستند و برای آن که یک مقیاس غلظت را نسبت به دیگری افزایش دهیم از مختصات قائم استفاده می کنیم. برای این کار می توان غلظت های C را نسبت به غلظت های B همان طور که در شکل زیر نشان داده شده رسم نمود.

41 مختصات قائم مختصات قائم )N برحسب X و Y( 1( نوع دیگر سیستم مختصات قائم در شکل زیر نشان داده شده است. مختصات قائم براساس بودن حلال برای سیستم های دارای دو زوج مایع با حلالیت جزئی 2( این نمودار برای سیستم هایی با حلالیت جزئی دو زوج رسم می شود. پارامترهای مؤثر در انتخاب حلال 1. نامحلول بودن حلال:

42 هر چه ناحیۀ دوفازی در نمودار استخراج وسیعتر باشد محدودۀ عمل استخراج بیشتر است و استفاده از عمل استخراج مقرون به صرفهتر است. با توجه به شکل زیر واضح است که حلال a که نامحلولتر است مفیدتر خواهد بود. اثر حلالیت حلال در استخراج 2. قابلیت بازیابی: بازیابی حلال توسط عمل جداسازی دیگری مانند تقطیر انجام می گیرد. اگر از عمل تقطیر استفاده شود حل شوندۀ استخراج شده نباید با حلال ایجاد آزئوتروپ نماید و مخلوط باید فراریت زیادی داشته باشد. برای کم کردن هزینه های استفاده از حرارت باید آن جزئی که کمتر است دارای فراریت بیشتری باشد. اگر حلال باید تبخیر شود گرمای نهان تبخیر آن باید کم باشد. 3. دانسیته: تفاوت دانسیته بین فازهای مایع اشباع هم در سیستم مرحله ای و هم در سیستم مداوم برای جداسازی شرط مهمی است و هرچه این تفاوت بیشتر باشد بهتر است. اختلاف دانسیته فازهای در حال تعادل با افزایش غلظت C کاهش می یابد و در نقطۀ پلیت صفر می شود. این اختلاف ممکن است قبل از رسیدن به نقطۀ پلیت از نظر علامت معکوس شود. در این حالت در غلظت هایی که اختلاف دانسیته از صفر می گذرد سیستم های مداوم کاربرد ندارند. 4. کشش بین سطوح: هر چقدر کشش بین سطحی بیشتر باشد پیوستگی ذرات امولسیون بیشتر و پراکندگی یک مایع در دیگری مشکل تر می شود. به هم پیوستن ذرات معمولا از اهمیت بیشتری برخوردار است در نتیجه کشش سطحی باید زیاد باشد. کشش بین سطحی در فازهای تعادلی در نقطۀ پلیت به صفر می رسد. استفاده از حلال با کشش سطحی کم در فرآیند استخراج مایع مایع نامناسب است چون جدا شدن فازها به سختی انجام می گیرد. 5. فعالیت شیمیایی: حلال باید از نظر شیمیایی پایدار باشد و نسبت به دیگر اجزاء سیستم و مواد سازندۀ دستگاه خنثی باشد. 6. ویسکوزیته فشار بخار و نقطۀ انجماد: این کمیت ها برای راحتی حمل و نقل و انبار کردن باید کم باشند. 7. طبیعت حلال: حلال باید غیرسمی غیر قابل اشتعال و ارزان باشد.

43 8. پایداری امولسیون: چون در هر مرحله فازها باید جدا شوند پایداری امولسیون یکی از مهمترین مسائل استخراج است. باید از امولسیون پایدار یعنی آن هایی که در مدت زمان زیادی رسوب می کنند پرهیز کرد. واحد عملیاتی استخراج مایع-مایع تک مرحلهای نمودارهای فازی مربوط به سیستم استخراج تک مرحلهای در شکل زیر آورده شده است. استخراج تک مرحله ای

44 X F در استخراج تک مرحله ای )مختصات بدون حلال( اگر حلال خالص باشد مقدار N برای آن بینهایت خواهد بود و FS عمودی می شود. در این حالت خط کار در شکل بالا خط 45 درجه را قطع می کند. واحد عملیاتی استخراج مایع-مایع چندمرحلهای با جریان متقاطع 1( این روش تعمیمی از استخراج تک مرحلهای است که در آن پسماند دوباره با حلال تازه مجاور می شود. این عمل می تواند مداوم و یا غیرمداوم باشد. شکل زیر نمایانگر استخراج سه مرحلهای است.

45 استخراج با جریان متقاطع 2( در یک غلظت مشخص از جریان پسماند هرچه تعداد مراحل بیشتر باشد کل حلال مصرفی کمتر خواهد شد. 3( اگر حلال و خوراک نامحلول باشند خواهیم داشت: استخراج با جریان های متقاطع با حلال نامحلول در فاز پسماند 4( در عملیات استخراج مایع مایع به روش تماس با جریان های متقاطع هرچه تعداد مراحل تعادلی بیشتر شود مقدار کمتری از حلال موردنیاز می باشد. واحد عملیاتی استخراج مایع-مایع چندمرحلهای مداوم با جریان های ناهمسو

46 1( نمایی از این عملیات در شکل زیر رسم شده است. در این عملیات دو محصول نهایی که یکی جریان پسماند ( NP R( و دیگری جریان استخراج شده ( 1 E( است حاصل می شود. استخراج چندمرحلهای با جریان ناهمسو R استخراج چندمرحلهای با جریان ناهمسو 2( در صورتی که مقدار جداسازی ثابت باشد این روش با حلال مساوی تعداد مراحل کمتری )نسبت به روش های متقاطع و همسو( دارد و در صورت ثابت بودن مراحل مقدار حلال کمتری مصرف می شود. 3( در صورتی که یکی از خطوط عبوری از شود. 4( برای دستیابی به مقدار حداقل حلال به صورت زیر عمل می کنیم: بر یک خط رابط منطبق شود تعداد مراحل موردنیاز برای رسیدن به این حالت بی نهایت می F با خط رابط عبوری از F را رسم می کنیم و با منحنی تعادلی SR NP تلاقی می دهیم تا نقطۀ Rmin E 1min را می دهد. از تقاطع R NP E 1min و FS نقطۀ M min حاصل می شود. بدست آید. محل تلاقی خط رابط عبوری از مقدار حداقل حلال مقدار F = FM min SM min 5( در صورتی که خطوط رابط تغییر شیب دهند رسم خط رابط عبوری از F مقدار مینیمم حلال را نمی دهد.

47 6( مطابق شکل زیر نقطۀ تقاطعی که از S دورتر است )اگر در سمت چپ منحنی باشد( یا نقطه ای که به S نزدیکتر است )اگر در سمت راست باشد( نقطۀ تفاضل متناظر با حلال مینیمم را مشخص می کند. مقدار مینیمم حلال برای استخراج با جریان های ناهمسو 2( اگر منظور از حلال اولیه جزء حامل و حلال ثانویه حلال باشد می توان گفت که اگر شیب خطوط رابط مثبت باشد فاز استخراج شده نسبت به پسماند دارای حل شوندۀ بیشتری می باشد. در نتیجه می توان با مقدار متوسطی حلال حل شونده را استخراج نمود. اگر شیب خطوط رابط منفی باشد باز عمل استخراج امکان پذیر است اما مقدار حلال بیشتری )چون فاز استخراج شده غنی از حل شونده نیست( لازم است. در نتیجه شیب مثبت مناسبتر است. 8( برای داشتن R این اطلاعات ضروری است: شدت و ترکیب خوراک شدت و ترکیب حلال غلظت محلول استخراج شدۀ نهایی.( اگر شیب خطوط رابط مثبت باشد فاز استخراج شده نسبت به پسماند دارای حلشوندۀ بیشتری میباشد. در نتیجه میتوان با مقدار متوسطی حلال حلشونده را استخراج نمود. اگر شیب خطوط رابط منفی باشد باز هم عمل استخراج امکانپذیر است اما مقدار حلال بیشتری لازم است چرا که فاز استخراج شده غنی از حلشونده نیست در نتیجه شیب مثبت مناسبتر است. 10( در محلولهای سولوتروپیک به علت آنکه برخی از Tieها Line دارای شیب مثبت و برخی دارای شیب منفی هستند بنابراین ممکن است محل تلاقی این Tieها Line با امتداد SR Np از طرفی با توجه به این قاعدۀ کلی:»حداقل حلال بزرگترین مقدار حلالی است که = N بکند«اگر Tieها Line امتداد SR Np قرار گیرد نزدیکترین محل تلاقی داشت در سمت چپ یا در سمت راست دیاگرام مثلثی واقع شود. را در سمت چپ دیاگرام مثلثی قطع نمایند دورترین محل تلاقی R min R min است و اگر این تلاقی در سمت راست است. در محلولهای سولوتروپیک به علت آنکه هر دو امکان تلاقی در سمت چپ یا راست دیاگرام وجود دارد لذا دورترین تلاقی در سمت چپ با نزدیکترین تلاقی در سمت راست مقایسه میشود هر کدام مقدار حلال مصرفی بیشتری است. R min

48 دستگاه های استخراج 1( در جذب و تقطیر عمل اختلاط و جداسازی آسان و سریع است اما در استخراج چون چگالی دو فاز نزدیک به یکدیگر است برای اختلاط و جداسازی انرژی کمی در دسترس است. 2( گرانروی هر دو فاز در عمل استخراج نسبتا بالا و سرعت خطی دستگاه پایین است. در نتیجه انرژی لازم برای اختلاط و جداسازی به روش مکانیکی تأمین می شود. 3( دستگاه های استخراج به صورت پیوسته یا ناپیوسته کار می کنند. وقتی که کمیت های موجود زیاد و مراحل متعدد تماس موردنیاز است جریان پیوسته مقرون به صرفه خواهد بود. 4( بیشتر دستگاه های استخراج پیوسته هستند. با توجه به اینکه محصول استخراج شده ممکن است سبکتر یا سنگینتر از محصول پسماند باشد محصول استخراج را از قسمت فوقانی و یا تحتانی دستگاه خارج می کنند. 5( استخراج مایع مایع با استفاده از غشاهای متخلخل نیز انجام می شود. این روش در جداسازی های مشکل کاربرد دارد. 6( در یک دستگاه استخراج مایع مایع که در آن فاز سنگین از بالای برج به صورت فاز پخش شده به داخل فاز سبک و پیوسته می ریزد بیشترین قسمت انتقال جرم در ابتدای ورود فاز پخش شده به داخل برج صورت می پذیرد. 2( در طراحی دستگاههای استخراج انتخاب فاز پراکنده و پیوسته به شدت جریانهای حجمی آن وابسته است. انواع دستگاههای استخراج 1( مخلوط کننده ته نشین کننده Settler( :)Mixer - 1( این دستگاه شامل دو قسمت است: یکی مخلوط کننده که برای تماس و در نتیجه افزایش انتقال جرم بین دو فاز بهکار می رود و دوم تهنشین کننده که برای جداسازی مکانیکی به کار می رود. این دستگاه به شرایط ایدهآل نزدیکتر است. 2( مخلوط کننده ها دو نوع هستند: 1. مخلوط کننده های جریانی یا خطی: تنها برای عملیات مداوم کاربرد دارند و انتقال جرم خیلی ضعیفی دارند. 2. مخازن همزن دار: همزن ها معمولا از نوع تیغۀ پهن توربینی هستند. معمولا مایعی که دارای شدت جریان حجمی کمتری باشد در دیگری پراکنده می شود. 3( بازگشت مقداری از مایعات ته نشین شده به مخلوط کننده موجب افزایش بازده خواهد شد. بازگشت مایعی که حل شونده در آن بیشتر حل می شود بازدۀ مرحله را افزایش در حالی که بازگشت دیگری یا هر دو بازده را کاهش می دهد. 4( ته نشین کننده اغلب یک دکانتور ساده است که به طور پیوسته و تحت نیروی جاذبه کار می کند. در مایعاتی که به راحتی به حالت امولسیون تبدیل می شوند و چگالی آن ها تقریبا یکسان است گاهی اوقات لازم است تا خروجی مخلوط کننده را از صفحه ای از جنس فایبرگلاس عبور دهند تا ته نشینی در اثر نیروی جاذبه به خوبی انجام گیرد. برای جداسازی های دشوارتر از دستگاه های گریز از مرکز دیسکی استفاده می شود.

49 5( استخراج کننده های جعبه ای نوعی از دستگاه های مخلوط کننده ته نشین کننده هستند که بدون داشتن لوله های واسطه طراحی شده اند. 6( Mixer-Settler دارای تلاطم و سرعت انتقال جرم بالایی است و همچنین زمان اقامت در آن زیاد می باشد در نتیجه می توان از فرض تعادل بین فازها به خوبی استفاده کرد. 2( دستگاه Mixer-Settler برای رسیدن به تعادل فازی قابل کنترل است. 8( دستگاه Mixer-Settler بهدلیل وجود مخلوطکننده برای استخراج محلولهای حاوی 2 فاز ویسکوز مناسب میباشد..( از Mixer-Settler زمانی استفاده میشود که تعداد مراحل واقعی مشخص باشد. 2( برج های دارای سینی مشبک: )1 این برج ها هم در ظرفیت عملکرد مایعات و هم در بازدۀ استخراج خیلی مؤثر هستند و معمولا برای سیستم هایی به کار می روند که کشش بین سطحی کمی دارند و نیروی زیادی برای هم زدن آن ها لازم نیست. 2( انتقال جرم در این ستون ها خیلی خوب است زیرا:.1.2 اختلاط محوری فاز پیوسته بین سینی ها محدود می شود و از مرحله ای به مرحلۀ دیگر ادامه نمی یابد. قطرات فاز پخش شده که در هر مرحله حاصل می شوند تجمع یافته و تمایل به ایجاد گرادیان غلظت داخل قطره ها به صورت یکسان در طول ستون را از بین می برند. 3( در این برج ها معمولا مایع سبک فاز پراکنده را تشکیل می دهد. 4( طرح تصحیح شده ای از این نوع برج ها که فقط یک طرف سینی مشبک است و از یک سینی به سینی دیگر سوراخ ها از چپ به راست تغییر می کنند باعث افزایش کارایی استخراج می شود. ظرفیت جریان برج های سینی دار مشبک به خصوصیات تشکیل قطره سرعت حد قطره ماندگی فاز پخش شده و اختلاف فشار بستگی دارد. 5( در واحدهای استخراج مایع مایع که به صورت برجی شکل با سینی های سوراخ دار ساخته شده اند حداکثر انتقال جرم در موقع تشکیل یک حباب پیوسته در فاز ناپیوسته صورت می گیرد. علت اصلی این پدیده این است که اختلاف غلظت جسم محلول در سطح حباب تازه تشکیل شده با غلظت فاز پیوسته نسبتا زیاد است. 6( اگر عمل انتقال جرم در برج استخراج مایع مایع با تبادل انرژی همراه باشد بین سینی ها اختلاف درجه حرارت وجود خواهد داشت. 2( در یک برج استخراج مایع مایع از نوع سینی دار ماندگی فاز پخش شده در بین سینی ها کمتر از %20 است. 8( از برجهای سینیدار زمانی استفاده میشود که کشش بین سطحی کم باشد. 3( برج های پاششی:

50 1( ساده ترین نوع دستگاه با تماس دیفرانسیلی می باشد. این دستگاه بدترین حالت از نظر تشکیل پدیدۀ اختلاط محوری است به طوری که به سختی می توان بیشتر از معادل یک مرحلۀ تئوری از آن ها بدست آورد. به این علت استفاده از این دستگاه ها توصیه نمی شود. 2( در این دستگاه انتخاب فاز پراکنده بستگی به شدت جریان گرانروی و خصوصیات مرطوب کنندگی دو فاز دارد. )3 به منظور ایجاد سطح مشترک بیشتر فاز دارای شدت جریان بیشتر را پراکنده می کنند. اما اگر اختلاف گرانروی بالا باشد فاز دارای گرانروی بیشتر را برای افزیش سرعت ته نشینی پراکنده می کنند. 4( در اینجا مایع هر سطحی که داشته باشد تعادل برقرار نمی شود چون همین انحراف از تعادل نیروی محرکۀ انتقال جرم را فراهم می کند. سرعت انتقال جرم در استخراج نسبت به تقطیر یا جذب پایین است. در نتیجه یک ستون بلند معادل تعداد کمی مرحلۀ ایده آل است. در برج های پاششی واقعی تماس بین قطره ها و فاز پیوسته در منطقه ای که قطرات در آنجا تشکیل می شوند بیشتر است چون در این منطقه شدت انتقال جرم بیشتر است. در هر حالتی افزایش ارتفاع متناسب با افزایش تعداد مراحل نیست. پراکندن مجدد قطرات در فواصل خیلی بزرگ برج بسیار مؤثر است. این عمل در برج های آکنده انجام می شود. 4( برج های آکنده )پرشده(: 1( استفاده از پرکن در برج های آکنده باعث کاهش اختلاط محوری و همچنین تغییر شکل قطرات فاز پخش شده می گردد. این عوامل باعث بهبود عملکرد این برج ها نسبت به برج های پاششی می شود. 2( از نظر سادگی برج های آکنده به برج های پاششی نزدیک هستند و آن ها را می توان به شکلی ساخت که تقریب ا هرگونه مشکل خوردگی و یا فشار را با هزینۀ مناسب برطرف کرد. عیب عمدۀ این دستگاه پدیدۀ مجراسازی است. 3( طبیعت جریان مایع در این برج ها بستگی به نوع پرکن و نحوۀ قرارگیری پخش کننده های مایع دارد. اگر شدت جریان یکی از این دو فاز پراکنده شده یا پیوسته ثابت نگه داشته شود و شدت جریان فاز دیگر افزایش یابد به نقطه ای می رسیم که قطره های فاز پراکنده شده به یکدیگر می پیوندند و انباشتگی این فاز افزایش یافته و در نهایت هر دو فاز از خروجی مربوط به فاز پیوسته خارج می شوند. این حالت را طغیان )غرقابی( می نامند. سرعت طغیان در برج های آکنده به گرانروی و چگالی فاز پیوسته کشش سطحی مشترک فازها اختلاف چگالی فازها مساحت ویژۀ پرکن و تخلخل بستگی دارد. )4 در برج های آکنده با اینکه اختلاط محوری خیلی کمتر از برج های پاششی است شدت انتقال جرم کم است. توصیه می شود که در سیستم های با کشش بین سطحی کم از برج های سینی دار مشبک و برای کشش بین سطحی زیاد از استخراج کننده هایی با همزن مکانیکی استفاده شود. 5( در واحدهای آکنده استخراج مایع مایع لازم است از تشکیل شرایط غرقابی پرهیز گردد. به عنوان مثال قطرات فاز ناپیوسته به یکدیگر وصل شده و به صورت یک فاز پیوستۀ دیگر همراه با فاز پیوستۀ اصلی از محل خروج فاز پیوستۀ اصلی از واحد خارج می شوند. 6( برجهای پرشده بهدلیل عدم داشتن قسمتهای مکانیکی انرژی کمتری مصرف میکنند. )5 استخراج کنندۀ :Oldshue Rushton Extractor Mixco Lightnin CM

51 در این دستگاه برای کاهش اختلاط محوری از صفحات افقی استفاده می شود. 6( تماس دهنده با دیسک چرخان :RDC 1( این دستگاه مشابه دستگاه قبلی است. با این تفاوت که بافل های عمودی در آن ها وجود ندارد و هم زدن در اثر دیسک های چرخان که معمولا سرعت بیشتری از پره های توربینی دارند انجام می شود. در شرایط یکسان این روش نسبت به روشهای دیگر انرژی بیشتری مصرف میکند. 2( در برج های RCD نقطۀ بهینه ای وجود دارد به صورتی که با افزایش دوران ابتدا راندمان افزایش می یابد ولی بعد از مقدار محدودی افزایش راندمان کاهش می یابد. ته نشین کننده های عمودی است. چون اختلاط محوری در این نوع دستگاه وجود ندارد 7( استخراج کنندۀ :Treybal این دستگاه در واقع گروهی از مخلوط کننده شدت انتقال جرم زیاد است. 8( برج های صفحه ای: این برج ها برای استخراج محلول های کثیف حاوی ذرات جامد معلق استفاده می شود. از آنجا که جریان مایع در برج های صفحه ای آرام و یکنواخت است و هیچگونه تغییر شدیدی در سرعت و یا جهت جریان ایجاد نمی شود این برج ها برای مایعاتی که به راحتی امولسیون تشکیل می دهند مناسب هستند. این برج ها مخلوط کننده های خوبی نیستند و هر صفحه فقط معادل 0.05 تا 0.1 مرحلۀ ایده آل است. 9( ستون ضربه ای :)Pulsed( 1( در این برج ها ضربه ها باعث پراکنده شدن مایع جلوگیری از پدیدۀ مجراسازی و افزایش تماس بین فازها می شود. چون این استخراج کننده ها هیچ قسمت متحرکی ندارند خیلی عملی هستند و برای محلول های رادیواکتیو در انرژی اتمی کاربرد دارند. 2( در این برج ها از ناودان استفاده نمی شود. اگر ضربه رو به بالا باشد فاز سبک در فاز سنگین و اگر ضربه رو به پایین باشد فاز سنگین در فاز سبک توزیع می شود. این برج ها اگر به صورت ایده آل عمل کنند بازدۀ آن ها به %20 هم می رسد اما در حالت معمول بازده حدود %30 است. با این وجود هم در ستون های ضربه ای با سینی غربالی و هم در ستون های ضربه ای آکنده ارتفاع لازم برای تعداد معینی تماس اغلب کمتر از یک سوم ارتفاع موردنیاز ستون غیرضربه ای است. 3( در این دستگاه ها اگرچه شدت انتقال جرم در برابر هزینۀ انرژی افزایش می یابد اما ظرفیت این دستگاه ها کم می شود. 4( ستون های ضربه ای دارای بیشترین کاربرد صنعتی می باشند. 5( اساس کار ستون های استخراج مایع مایع از نوع پالسی تعداد ضربات وارده در واحد زمان می باشد که با افزایش تعداد ضربات راندمان آن نیز افزایش می یابد. اما این مطلب همواره صادق نبوده چون افزایش بیش از اندازۀ تعداد ضربات باعث ایجاد پدیدۀ تداخل شده و نتیجۀ منفی بر روی سیستم اعمال می کند. 6( ستونهای ضربهای زمانی که فازها سریع به تعادل میرسند مناسب نیست.

52 11( استخراج کننده های سانتریفوژ )گریز از مرکز(: 1( مهمترین نوع این دستگاه استخراج کنندۀ پابیلنیاک است. 2( این دستگاه ها گران قیمت هستند و کاربرد نسبتا محدودی دارند. از مزیت های این دستگاه تعداد تماس زیاد در یک فضای کوچک و زمان تجمع کوتاه مایع در حدود 4 ثانیه است. لذا در استخراج محصولات حساس مانند ویتامین ها و آنتی بوتیک ها کاربرد دارند. این دستگاه برای مواردی که اختلاف دانسیته کم باشد نیز کاربرد دارد. 3( زمانی که اختلاف دانسیتۀ خوراک بسیار کم بوده و زمان تماس و جداسازی کوتاهی لازم باشد استفاده از دستگاه های استخراج با نیروی گریز از مرکز توصیه می شود. 11( استخراج کننده ها با همزن مکانیکی: 1( در استخراج کننده های مایع مایع وقتی اختلاف دانسیته 0.1 و یا کمتر است پخش خوب مایعات با کشش بین سطحی زیاد در این برج ها غیرممکن و شدت انتقال جرم کم است. شدت انتقال جرم با استفاده از همزن مکانیکی بهبود می یابد. در این دستگاه هم اختلاط و هم جداسازی به جریان ثقلی وابسته است. 2( در اینجا بیشتر عملیات انتقال جرم در ناحیۀ اختلاط و بخشی از آن در بخش ته نشین کننده انجام می شود. در نتیجه بازدۀ هر مرحلۀ مخلوط کننده ته نشین کننده اغلب بزرگتر از %100 است. عیب جدی این دستگاه نگهداری قطعات متحرک داخلی مخصوصا در حالتی که مایعات خورنده باشد است. نکات دستگاههای استخراج مایع-مایع 1( در عملیات استخراج فازی که دارای ویسکوزیتۀ بیشتری باشد را پخش میکنند. در مخازن همزندار معمولا مایعی که دارای شدت جریان حجمی کمتری باشد در دیگری پراکنده میشود. اما در برجهای پاششی به منظور ایجاد سطح مشترک بیشتر فاز دارای شدت جریان بیشتر را پراکنده میکنند. 2( در برجهای همزده سرعت انتقال جرم و تلاطم زیاد میباشد و گاهی بازده بیشتر از %100 هم میشود. در استخراجکنندههای سانتریفوژی نیز با توجه به اینکه اغلب در دور بالا کار میکنند تلاطم و سرعت انتقال جرم بالا است و لذا بازده زیاد است. در ستونهای ضربهای به علت ضربه و پراکندگی فازها سطح تماس بین فازها و تلاطم بالا است بهطوری که بازدۀ آنها به %20 هم میرسد. سینیهای غربالی دارای تلاطم و انتقال جرم کمتری نسبت به سایر موارد میباشند.

53 فصل سوم عملیات واحد: تبخیر مقدمه 1( تبخیر یک روش جداسازی مستقیم است که جزء فرآیندهای گاز مایع محسوب می شود. 2( هدف از تبخیر بالا بردن غلظت یک محلول دارای یک حلال فرار و یک حل شونده غیرفرار است. 3( تفاوت تبخیر با خشک کردن در این است که در تبخیر مادۀ باقی مانده مایعی است که اغلب گرانروی بالایی دارد نه جامد. 4( در تبخیر برخلاف تقطیر بخار تشکیل شده به علت اختلاف زیاد دمای جوش اجزاء اغلب یک جزئی است. اگر بخار تشکیل شده شامل دو جزء باشد امکان جداسازی از راه تبخیر وجود ندارد. 5( تفاوت تبخیر با تبلور در این است که در تبخیر تأکید بر روی تغلیظ محلول است تا تشکیل بلور. اگر در فرآیند تبخیر بلوری تشکیل شود چون در لوله ها رسوب می کند باید آن را از محلول خارج کرد. 6( در تبخیر محلول غلیظ محصول باارزش است. به جز یک مورد خاص که بازیافت آب آشامیدنی از آب دریا است که تقطیر آب گفته می شود. 2( مهمترین خواص مایعات در حال تبخیر عبارتند از: غلظت کف کردن حساسیت دمایی و رسوب. به دلیل خواص گوناگون مایع تبخیرکننده های گوناگونی طراحی شده است. انتخاب هر یک از این طراحی ها در درجۀ نخست به ویژگی های مایع بستگی دارد. 8( برای یک مایع حاوی ذرات جامد استفاده از تبخیرکننده بهجای برج تقطیر بهتر است. تبخیرکننده های یک مرحلهای و چند مرحلهای 1( بسیاری از تبخیرکننده ها با حرارت ناشی از میعان بخار آب که اغلب دارای فشار مطلق پایینتر از 3 اتمسفر می باشد گرم می شوند. 2( وقتی از یک تبخیر کننده استفاده شود بخار حاصل از مایع در حال جوش به مایع تبدیل و دور ریخته می شود. به این روش تبخیر یک مرحله ای گویند. اگر بخار حاصل از یک تبخیرکننده به محفظۀ بخار تبخیرکنندۀ دوم تغذیه شود و بخار حاصل از تبخیرکنندۀ دوم وارد مبرد گردد در این عمل از دو دستگاه تبخیرکننده استفاده کرده ایم. در اینجا به علت اینکه از بخار آب حاصل از تبخیرکنندۀ اولی در تبخیرکنندۀ دومی استفاده می شود به ازای یک واحد جرم بخار آب مصرفی میزان تبخیر تقریبا دو برابر شده است. به این سیستم تبخیرکنندۀ دو مرحله ای گفته می شود. انواع تبخیرکننده ها تبخیرکننده های لوله ای که با سیستم بخار آب گرم می شوند و امروزه بسیار متداولند را می توان به دو گونه تقسیم بندی نمود. 1( تبخیرکنندۀ عمودی با لولۀ بلند و همزن دار 1. تبخیرکنندۀ عمودی با لولۀ بلند:

54 .2 1( این نوع تبخیرکننده به سه گونۀ مختلف می باشد: الف( لولۀ بلند و جریان رو به بالا: این نوع تبخیرکننده در افزایش غلظت مایعاتی که ایجاد کف می کنند بسیار مؤثر است. ب( لولۀ بلند و جریان رو به پایین film( :)Falling این نوع تبخیرکننده در صورتی که در آن هیچ گردش مجددی وجود نداشته باشد در تغلیظ مواد حساس به حرارت که زمان تماس با سطح گرم باید حداقل باشد مناسب است. مشکل اصلی این نوع تبخیرکننده نحوۀ توزیع مایع به طور یکنواخت مثل فیلم در داخل لوله ها است. این مشکل را می توان با استفاده از یک صفحۀ فلزی مشبک و یا توزیع کنندۀ عنکبوتی و یا با استفاده از پاشنده حل نمود. این دستگاه همچنین برای افزایش غلظت مایعات با گرانروی بالا به کار می رود. از تبخیرکنندۀ فیلم نزولی برای افزایش غلظت یک محلول دارویی حساس به دما با ویسکوزیتۀ بالا استفاده می شود. در صورتی که محلول تغلیظشونده در یک سیستم تبخیرکننده ضمن حساس بودن به دما افزایش ویسکوزیتۀ آن با تغلیظ نیز قابل توجه باشد آنگاه تبخیرکنندۀ یک مرحلهای با فیلم نزولی بهترین انتخاب برای آن است. ج( گردش اجباری Circulation( :)Forced در مایعات با گرانروی بالا ضریب کل یک دستگاه با گردش طبیعی پایین و غیراقتصادی است. در تبخیرکننده با گردش اجباری ضرایب بالاتر بدست می آید. در مایعات رقیق مزیتی که گردش اجباری نسبت به گردش طبیعی دارد با توجه به هزینۀ بالای پمپ چندان با ارزش نیست. ولی در مواد با گرانروی بالا این هزینۀ اضافی توجیه اقتصادی دارد خصوصا اگر از فلزات گرانبها استفاده شود. مایعاتی که حساسیت متوسطی به حرارت دارند در این دستگاه ها تغلیظ می شوند. این دستگاه ها برای تغلیظ محلول های دارای نمک و محلول هایی که میل به تشکیل کف دارند نیز استفاده می شوند. 2( تبخیرکنندۀ عمودی لوله بلند برای موادی مناسب است که خاصیت کفزایی دارند. کف ایجاد شده وقتی با سرعت زیاد مخلوط مایع و بخار با بافلها برخورد میکند میشکند که باعث افزایش ضریب انتقال حرارت و کاهش ماندگی مایع در فاز بخار خواهد شد. 3( در تبخیرکنندۀ عمودی لوله بلند در سرعتهای کم به دلیل زمان ماند بیشتر خوراک درون تبخیرکننده ماکزیمم شدن دما به نسبت حالتهای با سرعتهای بالای خوراک زودتر اتفاق میافتد. بهطور تجربی مشاهده شده است که برای سرعتهای کم ماکزیمم دما در وسط لوله و در سرعتهای بالا در انتهای لوله میباشد. تبخیرکنندۀ همزن دار film( :)Agitated مقاومت اصلی در برابر انتقال گرما از بخار آب به مایع در حال جوش در تبخیرکننده از قسمت مایع نتیجه می شود. یکی از راه های کاهش این مقاومت استفاده از همزن می باشد. مزیت اصلی این نوع تبخیرکننده توانایی آن در انتقال گرمای سریع مایعات با گرانروی بالا است. در این نوع تبخیرکننده کاهش ضریب انتقال گرما با افزایش گرانروی کمتر است. تبخیرکنندۀ همزن دار برای موادی با گرانروی بالا و حساس به دما مثل ژلاتین مادۀ خام پلاستیک آنتی بیوتیک ها و آب میوه ها بسیار کاربرد دارد. معایب این دستگاه هزینۀ ساخت بالا و قسمت های متحرک که ممکن است به تعمیر و نگهداری زیادی احتیاج داشته باشند و ظرفیت پایین دستگاه های تک واحدی نسبت به تبخیرکننده های چند لوله ای می باشد. تبخیرکننده های همزن دار همیشه یک مسیر دارند. تبخیرکننده با یک مسیر عبوری و گردشی 1( در تبخیرکننده تک مسیره همۀ تبخیر در یک مسیر صورت می گیرد. در این نوع تبخیرکننده نسبت تبخیر به خوراک محدود است لذا برای تبخیرکننده چند مرحله ای بسیار مناسب است.

55 2( تبخیرکننده با یک مسیر عبوری به علت اینکه محلول به مدت کوتاهی در دمای تبخیر می ماند و بلافاصله پس از خروج سریع سرد می شود برای مواد حساس به گرما بسیار مفید است. 3( تبخیرکننده های گردشی قادر به کار در محدودۀ وسیعی از غلظت بین خوراک و محلول غلیظ حاصل هستند و با تبخیرکنندۀ یک مرحله ای سازگاری دارند. این دستگاه ها می توانند با گردش طبیعی که در اثر اختلاف چگالی مواد در داخل لوله ایجاد می شود و همچنین گردش اجباری که توسط پمپ ایجاد می شود کار کنند. 4( تبخیرکننده های جریان رو به بالا و جریان رو به پایین معمولا گردشی هستند. 5( در صورت امکان تبخیرکننده ها را از جنس فولاد می سازند. اما برای محلول هایی که باعث خوردگی آهن می شوند از مواد دیگری مانند مس و نیکل استفاده می کنند. چون این مواد گران قیمت هستند برای کاهش هزینه باید سرعت انتقال گرما را زیاد کرد. ظرفیت تبخیرکننده 1( با توجه به نوع خوراک ورودی سه حالت زیر رخ می دهد: )2 الف( اگر خوراک در دمای جوش باشد ظرفیت در حال جوش qα ب( اگر خوراک سرد باشد ظرفیت در حال جوش < ظرفیت ج( اگر خوراک بالاتر از دمای جوش باشد ظرفیت در حال جوش > ظرفیت مقدار واقعی افت دما در سطح گرم کننده به نوع محلولی که تبخیر می شود به اختلاف فشار بین بخار آب و بخار بالای مایع در حال جوش و به عمق مایع در سطح گرم کننده بستگی دارد. 3( در تبخیرکننده های معمولی نقطۀ جوش محلول تحت تأثیر صعود نقطۀ جوش و فشار مایع قرار می گیرد. 4( پنج مقاومت در مقابل انتقال گرما در تبخیرکننده وجود دارد که عبارتند از: مقاومت جریان بخار آب مقاومت در داخل لوله مقاومت در خارج لوله مقاومت در دیوارۀ لوله مقاومت مایع در حال جوش 5( با توجه به جدول بالا ضریب انتقال حرارت در گردش اجباری بیشتر از گردش طبیعی است و از طرفی با افزایش ویسکوزیته ضریب کلی انتقال حرارت کاهش می یابد. صعود نقطۀ جوش و قاعدۀ دورینگ 1( در یک فشار مشخص نقطۀ جوش محلول بالاتر از نقطۀ جوش آب خالص می باشد. این افزایش نقطۀ جوش که به واسطۀ ناخالصی میباشد را صعود نقطۀ جوش BPR( یا )BPE گویند.

56 2( در محلول های رقیق و محلول های کلوئیدی آلی مقدار افزایش نقطۀ جوش کم است ولی برای محلول های غلیظ نمک های آلی حتی به 80 نیز می رسد. 3( برای محلول های غلیظ مقدار BPE را از قاعده ای تجربی به نام قاعدۀ دورینگ محاسبه می کنند. این قاعده بدین صورت است که نقطۀ جوش محلولی معین تابع خطی از نقطۀ جوش آب خالص در همان فشار است. در محدودۀ فشار بالا این قاعده دقیق نیست اما اگر محدودۀ متوسط باشد خطوط برای غلظت های مختلف تقریبا مستقیم هستند اما الزاما موازی نیستند. به عنوان مثال با توجه به شکل زیر صعود نقطۀ جوش برای محلول 25 درصد هیدروکسید سدیم 20 است. خطوط دورینگ برای سیستم هیدروکسید سدیم - آب 4( با توجه به شکل بالا BPE تابع قوی از غلظت و تابع ضعیفی از دما است. 5( با افزایش غلظت نقطۀ جوش محلول و BPE افزایش و افت دما کاهش می یابد. 6( BPE مستقل از فشار است و اگر غلظت ثابت بماند BPE نیز ثابت میماند. اثر فشار مایع و اصطکاک روی افت دما

57 1( فشار و در نتیجه نقطۀ جوش در نقطه ای به فاصلۀ z متر از سطح مایع در تبخیرکننده بیشتر از فشار و نقطۀ جوش در سطح مایع است. به علاوه وقتی سرعت مایع بالا باشد تلفات اصطکاک در لوله ها فشار متوسط مایع را زیاد می کند و در نتیجه در تبخیرکننده های واقعی میانگین نقطۀ جوش مایع در لوله ها بالاتر از نقطۀ جوش سطح مایع می باشد که در آنجا بخار فقط روی مایع فشار وارد می کند. چنین افزایشی در نقطۀ جوش افت دما را بین بخار و مایع کم می کند و در ضمن ظرفیت را می کاهد. 2( شکل زیر دمای تبخیرکننده ای را در فواصل مختلف از طول لوله نشان می دهد. تغییرات دمایی مایع در لوله و افت دما در تبخیرکننده های عمودی با لولۀ بلند 3( در سرعت های بالا سیال تا انتهای لوله به صورت مایع باقی می ماند و در فاصلۀ انتهایی بطور ناگهانی به مخلوط مایع و بخار تبدیل می شود. در سرعت پایین افت فشار کمتر و در نتیجه فشار و نقطۀ جوش محلول بیشتر است. بنابراین نقطۀ جوش )b( در این حالت بیشتر و افت دما کمتر از حالت سرعت بالا است. در این حالت چون زمان اقامت مایع بیشتر است در نتیجه مایع زودتر و در نزدیکی مرکز لوله به بخار تبدیل می شود. 4( در مورد افت فشار در لوله تغییر فشار در نیمۀ اول لوله که مایع در حال جوش نیست و سرعت آن پایین است بسیار کم و در بخش دوم افت فشار به دلیل سرعت مایع افزایش می یابد. بطور کلی هرچه دبی جرمی بیشتر باشد افت فشار بیشتر است. 5( افزایش غلظت مایع افزایش ارتفاع مایع و کاهش سرعت مایع باعث کاهش افت دما در لوله های تبخیرکننده می شود. 6( اگر در تبخیرکننده دمای نقطۀ جوش ثابت بماند یا با مادۀ خالص و یا با محلول در نقطۀ آزئوتروپ سروکار داریم. 2( افت فشار بیشتر یعنی هد فشار بیشتر روی مایع و در نتیجه دمای لازم برای تبخیر بالاتر رفته و به دلیل عدم جوشش ضریب انتقال حرارت پایینتر میرود. پس ظرفیت کمتر میشود. 8( افزایش دمای تبخیرکننده باعث کاهش نیروی محرکه در عمل تبخیر میشود..( افزایش اصطکاک سبب بالا رفتن افت فشار و کاهش دمای جوش محلول میشود در نتیجه T افزایش مییابد.

58 10( نقطه جوش در سطح یک مایع از نقطه جوش نقطهای درون مایع کمتر است )به دلیل اختلاف فشار ناشی از اختلاف ارتفاع بین سطح مایع و نقطۀ درون مایع(. در نتیجه در تبخیرکنندههای واقعی میانگین نقطه جوش مایع در لولهها بالاتر از نقطه جوش سطح مایع میباشد. چنین افزایشی در نقطه جوش منجر به کاهش اختلاف دما شده و در نتیجه ظرفیت را کاهش میدهد. از طرفی هر چه سرعت مایع درون لولهها افزایش یابد افت فشار افزایش و در نتیجه فشار مایع کاهش مییابد که این امر منجر به کاهش دمای جوش مایع و افزایش اختلاف دما میشود. 11( چنانچه محلول با سررعت پایین حرکت کند نه تنها زودتر به جوش آمده )چون زمان اقامتش بالا میرود( بلکه در دمای بالاتری نسبت به محلولی که با سرررعت بالا حرکت میکند به جوش میآید. زیرا در سرررعت پایین افت فشررار در لوله کمتر اسررت و در نتیجه در مقاطع متناظر بین دو لوله با سرعتهای مختلف همواره فشار در لوله با سرعت پایین بیشتر است و در نتیجه دمای جوش در این لوله بالاتر است. موازنۀ جرم و آنتالپی تبخیرکنندۀ یک مرحله ای موازنۀ جرم و آنتالپی در تبخیرکننده یک مرحلهای 1( خطوط همدمای نمودار آنتالپی غلظت برای سیستم های بدون گرمای رقیق شدن مستقیم است. 2( افزایش فشار بخار )Steam( کاهش دبی خوراک کاهش فشار تبخیرکننده و کاهش دبی مادۀ تغلیظشده منجر به افزایش احتمال پدیدۀ نمکی شدن در تبخیرکنندۀ یک مرحلهای میشوند. تبخیرکننده های چند مرحله ای شکل زیر تبخیرکنندۀ سه مرحله ای با گردش طبیعی و لولۀ بلند را نشان می دهد.

59 تبخیرکنندۀ سه مرحلهای

60 1( در اینجا بخار حاصل از هر تبخیرکننده در تبخیرکنندۀ بعدی مصرف می شود. 2( فشار بخار آب در مرحلۀ اول بیشترین مقدار و در مرحلۀ آخر کمترین مقدار را دارد. فشار در هر مرحله از مرحلۀ قبلی کمتر می باشد. افت دمای هر مرحله مطابق افت فشار آن مرحله است. شمارش مراحل مستقل از نحوۀ ورود محلول و با توجه به جهت کاهش فشار نامگذاری می شود. در حالت پایا غلظت محلول غلیظ فقط با تغییر شدت جریان بخار تغییر می کند. اگر محلول خیلی رقیق باشد سرعت تغذیه در مرحلۀ اول کاهش و اگر خیلی غلیظ باشد سرعت تغذیه افزایش می یابد. 3( برای آنکه بخار خروجی از هر مرحله بتواند محلول غلیظ در مرحلۀ بعدی را به جوش آورد فشار محلول در تبخیرکنندۀ بعدی را باید کاهش داد. به علت کاهش فشار دما نیز کاهش می یابد. در نتیجه بخار خروجی از هر مرحله چون در فشار بالاتری است می تواند محلول مرحلۀ بعدی را به جوش آورد. ظرفیت و فاکتور اقتصادی تبخیرکنندۀ چند مرحله ای 1( افزایش فاکتور اقتصادی تبخیرکنندۀ چند مرحله ای به قیمت کاهش ظرفیت بدست می آید. در حالتی که شرایط نهایی یکسان است ظرفیت کلی تبخیرکنندۀ چند مرحله ای معمولا بزرگتر از ظرفیت تبخیرکنندۀ تک مرحله ای )در حالی که سطح آن برابر سطح یک مرحلۀ تبخیرکننده چند مرحله ای است( نیست. اگر صعود نقطۀ جوش زیاد باشد نوع چند مرحله ای ظرفیت کمتری دارد. اگر صعود نقطۀ جوش ناچیز باشد مقدار بخار آب تبخیر شده به ازای واحد سطح تبخیرکنندۀ N مرحله ای تقریبا 1 N تبخیرکنندۀ تک مرحله ای می شود. 2( در تبخیرکنندۀ چند مرحله ای ضریب U در مرحلۀ آخر مشابه ضریب U در تبخیرکنندۀ تک مرحله ای است اما در بقیۀ مراحل چون غلظت محلول کمتر است ضرایب U بزرگترند. در نتیجه ضریب میانگین U در نوع چند مرحله ای بزرگتر از نوع تک مرحله ای است. 3( در بعضی موارد افزایش ضریب میانگین U در تبخیرکنندۀ چند مرحله ای اثر نقطۀ جوش را تحت الشعاع قرار می دهد. در این حالت ظرفیت تبخیرکنندۀ چند مرحله ای بزرگتر از نوع یک مرحله ای است. اگر از عوامل جزئی مثل دمای خوراک و تغییر دمای تبخیر آن صرفنظر شود فاکتور اقتصادی تبخیرکننده چند مرحله ای با صعود نقطۀ جوش تغییر نمی کند. فاکتور اقتصادی یک تبخیرکنندۀ چند مرحله ای بزرگتر از یک می باشد. 4( فاکتور اقتصادی تبخیرکنندۀ چند مرحله ای به موازنۀ گرمایی بستگی دارد نه به شدت انتقال گرما. 5( فشار مایع مانند صعود نقطۀ جوش ظرفیت را کاهش می دهد. 6( اگر تعداد مراحل زیاد و یا صعود نقطۀ جوش بسیار بالا باشد مجموع صعود نقطه جوش ها بزرگتر از افت دمای کل موجود می شود. در چنین حالتی کار غیرممکن می گردد. به همین دلیل تعداد مراحل تبخیرکننده ها را معمولا بین 3 تا 5 مرحله در نظر می گیرند. تعداد مراحل بهینه از موازنۀ اقتصادی بین مقدار صرفه جویی در مصرف بخار و مقدار سرمایۀ اضافی برای ساخت تبخیرکنندۀ چند مرحله ای بدست می آید. 2( در یک تبخیرکننده چند مرحلهای تعداد مراحل معمولا محدود بین 3 الی 5 است زیرا وجود BPE زیاد مانع از امکان استفاده مؤثر از بخار در مراحل مختلف میگردد.

61 8( در تبخیرکنندۀ چند مرحلهای در جهت مسیر خوراک BPE زیاد و U )ضریب انتقال حرارت( کم می شود. روش های خوراک دهی.1 روش های مختلف خوراک دهی در تبخیرکننده های چند مرحله ای عبارتند از: روش خوراک دهی از جلو )رفت( Feeding( )Forward 1( این روش در شکل زیر نشان داده شده است. روش خوراک دهی از جلو 2( در این روش مایع رقیق توسط پمپی به مرحلۀ اول فرستاده می شود. غلظت مایع از اولین مرحله تا آخرین مرحله افزایش پیدا می کند. برای خروج مایع غلیظ به پمپ نیاز است اما چون محلول در جهت کاهش فشار پیش می رود برای انتقال از یک مرحله به مرحلۀ دیگر احتیاجی به پمپ نیست. 3( این روش خوراک دهی برای مواد حساس به دما نظیر مواد دارویی و غذایی مناسب است. زیرا با افزایش غلظت محلول ویسکوزیتۀ نیز افزایش یافته و در نتیجه ضریب انتقال حرارت و متعاقب آن مقدار انتقال حرارت q کاهش می یابد. 4( در این روش خوراکدهی به علت افزایش غلظت BPE زیاد میشود. همچنین به علت افزایش غلظت و کاهش فشار و دما ویسکوزیته زیاد میشود. 2. روش خوراک دهی از پشت )برگشت( Feeding( )Backward 1( این روش در شکل زیر نشان داده شده است.

62 روش خوراک دهی از پشت 2( در این روش خوراک مایع از مرحلۀ آخر وارد شده و با توجه به اینکه در خلاف جهت کاهش فشار حرکت می کند توسط پمپ از یک مرحله به مرحلۀ بعد منتقل می شود. بنابراین در این روش علاوه بر اینکه به پمپی جهت خروج مایع غلیظ نیاز است بین هر دو تبخیرکننده نیز به پمپ نیاز داریم. 3( وقتی محلول گرانروی بالایی داشته باشد روش خوراک دهی از پشت ظرفیت بیشتری نسبت به روش خوراک دهی از جلو دارد. اما برای محلول خوراک سرد ممکن است این روش مقرون به صرفه نباشد. 4( در محلول با گرانروی بالا هرچه محلول غلیظتر شود ویسکوزیته افزایش و ضریب انتقال حرارت کاهش می یابد. در روش رو به عقب در مرحلۀ آخر محلول غلیظ که ضریب انتقال حرارت کوچکی دارد با بخاری که دمای بالایی دارد در تماس قرار می گیرد. در نتیجه این روش خوراک دهی برای مواد با گرانروی بالا مناسب است. 3. روش خوراک دهی ترکیبی Feeding( )Mixed 1( این روش در شکل زیر نشان داده شده است. روش خوراک دهی ترکیبی

63 .4 2( در این روش خوراک مایع رقیق در مراحل میانی وارد می شود و به طرف مراحل جلوتر جریان می یابد و تا به انتها می رود و در ادامه به مراحل اول پمپ شده تا عمل تغلیظ نهایی روی آن انجام گیرد. در این روش تعدادی از پمپ هایی که در روش تغذیۀ برگشتی استفاده می شد حذف شده و تبخیر نهایی نیز در بالاترین دما انجام می شود. روش خوراک دهی موازی Feeding( )Parallel 1( این روش در شکل زیر نشان داده شده است. روش خوراک دهی موازی 2( در این روش خوراک مستقیما و به طور مجزا وارد هر تبخیرکننده می شود. در خوراک دهی موازی هیچ انتقال گرمایی بین مایع در مراحل مختلف صورت نمی گیرد. 3( روش خوراک دهی موازی برای محلول های کریستال زا و یا رسوب زا استفاده می شود. 5( مهمترین عامل در انتخاب روش خوراک دهی ویسکوزیته می باشد. تراکم مجدد بخار 1( در صورتی که در جهت دلخواه برای انتقال گرما افت دما وجود داشته باشد از انرژی بخار آب آزاد شده از محلول در حال جوش می توان برای تبخیر آب استفاده کرد. این کار توسط تراکم مجدد بخار که براساس جبران بخار مصرفی است صورت می گیرد. 2( دو نوع تراکم مجدد بخار عبارتند از: 1. تراکم مجدد مکانیکی: در این روش تمام یا بخشی از بخار تولیدی که مایع نمی شود توسط کمپرسور گریز از مرکز تا فشارهای بالا فشرده شده و به بخار آب ورودی به گرمکن تبدیل می شود. مقدار انرژی مصرفی در این سیستم بسیار خوب است. در این حالت فاکتور اقتصادی برای یک تبخیرکننده معادل یک تبخیرکنندۀ 10 الی 15 مرحله ای است. مهمترین کاربرد تبخیر یا تراکم مجدد مکانیکی در بالا بردن غلظت های محلول های خیلی رقیق رادیواکتیو و در تولید آب مقطر است. 2. تراکم مجدد حرارتی:

64 در سیستم تراکم مجدد حرارتی بخار با اعمال فشار بسیار بالا به وسیلۀ بخار خروجی از یک فواره متراکم می شود. در نتیجه علاوه بر بخار آب لازم جهت جوشیدن محلول مقدار بیشتری بخار نیز وجود دارد و بخار آب مصرفی باید یا خارج یا مایع شود. نسبت بخار آب مؤثر به بخار حاصل به فشار تبخیر بستگی دارد. در این روش معمولا نسبت بخار آب موردنیاز به جرم آب تبخیر شده در حدود 0.5 است. برای تبخیر در شرایط خلاء تراکم مجدد حرارتی مناسبتر از تراکم مجدد مکانیکی است. فواره های )انژکتورهای( آب موردنیاز ارزانتر و سهلالوصولتر از دمندهها و کمپرسورها هستند. اشکال عمدۀ تراکم مجدد گرمایی بازدۀ پایین فواره ها و انعطاف پذیری در سیستم در شرایط مختلف عملیاتی است. 3( در تراکم مجدد بخار عامل اساسی در تعیین هزینه ها فشار بخار خروجی از کمپرسور است. 4( در تبخیرکننده های توأم با تراکم مجدد بخار اقتصاد بخار بسیار بالا است. بنابراین نسبت شدت بخار مصرفی به شدت بخار تبخیر شده بسیار کم است. 5( از آنجایی که جتهای بخار توانایی کار کردن در حجمهای زیاد بخار با چگالی کم را دارند تراکم مجدد بخار در شرایطی که تبخیر در خلاء صورت میگیرد مناسبتر از تراکم مجدد مکانیکی است.

65 فصل چهارم عملیات واحد: عملیات مرطوب سازی مقدمه 1( رطوبتزنی و رطوبتزدایی شامل انتقال ماده بین فازهای مایع خالص و گازی که درون مایع قابل حل نیست می باشد. این عملیات اغلب آسانتر از عملیات جذب و بازیابی است چون اگر مایع فقط یک جزء داشته باشد هیچگونه گرادیان غلظت و مقاومت در برابر انتقال جرم در فاز مایع وجود ندارد. 2( مبنای محاسبات یک واحد جرم گاز بدون بخار )گاز خشک( است. در فاز گازی بخار را جزء A و گاز را جزء B فرض می کنند. چون خواص مخلوط گاز و بخار با توجه به فشار کل تغییر می کند فشار را باید مشخص کرد. در عملیات رطوبتزنی فرض می کنیم که مخلوط های گاز و بخار از قانون گازهای کامل پیروی کنند. نقطۀ شبنم 1( دمایی که در آن مخلوط گاز و بخار باید تا آن دما در فشار کل ثابت و بدون تماس با مایع سرد شود تا اشباع شود نقطۀ شبنم نامیده می شود. نقطۀ شبنم گاز اشباع با دمای گاز یکسان است. 2( با توجه به اینکه سرد شدن تا رسیدن به نقطۀ شبنم در رطوبت ثابت صورت می گیرد کلیۀ مخلوط هایی که رطوبت مطلق آن ها برابر است نقطۀ شبنم یکسانی دارند. تعادل های فازی در عملیات رطوبتزنی و رطوبتزدایی در فشار کل ثابت فشار جزئی تعادلی فقط تابع دما می باشد. در فشارهای متوسط فشار جزئی تعادلی تقریبا مستقل از فشار کل و تقریبا مساوی با فشار بخار مایع است. اشباعکننده های آدیاباتیک 1( تحولی آدیاباتیکی را در نظر بگیرید که گاز ورودی با مایعی که به درون گاز پاشیده می شود تماس حاصل پیدا می کند. گاز با رطوبت اولیه H و دمای T سرد و رطوبتزدایی می شود. اگر همۀ مایع تبخیر نشود و زمان کافی وجود داشته باشد تا گاز با مایع به تعادل برسد دمای خروجی گاز به دمای اشباع آدیاباتیک حدودی نیز به دمای اولیۀ آب بستگی دارد. T s می رسد. مایع باقی مانده نیز در دمای است. مقدار T s T s 2( منحنی اشباع آدیاباتیک در حقیقت منحنی آنتالپی ثابت به ازای واحد جرم گاز خشک است. نمودار رطوبت 1( نمودار متداولی که خواص مخلوط های گاز و بخار قابل میعان را نشان می دهد نمودار رطوبت است. 2( نمودار رطوبت برای مخلوط های هوا و آب در فشار 1 atm برای سیستم SI در شکل زیر نشان داده شده است. به دما و رطوبت اولیۀ هوا و تا

66 نمودار رطوبت سیستم هوا آب در فشار 1 atm 3( منحنی که با %100 مشخص شده است رطوبت هوای اشباع شده را به صورت تابعی از دمای هوا نشان می دهد. هر نقطه واقع در بالا و سمت چپ خط اشباع مخلوطی از هوای اشباع شده و آب را نشان می دهد. از این منطقه فقط برای امتحان تشکیل مه استفاده می شود. هر نقطه روی محور دما بیانگر هوای خشک است. 4( خطوط موربی که به طرف پایین و سمت راست خط اشباع امتداد یافته اند خطوط سرمایش آدیاباتیک نام دارند که هر یک به ازای مقدار دمای اشباع آدیاباتیک ثابت و معینی رسم شدهاند.