شبیه‌سازی حذف اتیل استات از هوا با ستون جاذب کربن فعال در نرم افزار Aspen Plus

مقدمه

اتیل استات یک حلال حیاتی در صنایع پلیمر و پتروشیمی است. که به دلیل ویژگی‌های منحصر به فردش، از جمله قابلیت اشتعال، فراریت و بوی شیرین، حتی در غلظت‌های بسیار کم (ppm 7-50) قابل تشخیص است. این ترکیب آلی با فرمول شیمیایی C4H8O2 و نام‌های دیگر مانند استیک اسید اتیل استر، استوکسی اتان و اتیل استیک استر شناخته می‌شود. اتیل استات در حلال‌های آلی معمول مانند الکل‌ها، کتون‌ها و گلیکول‌ها به خوبی حل می‌شود. اما انحلال‌پذیری آن در آب در دمای اتاق کمتر از 25 درصد (حدود 8 گرم در 100 میلی‌لیتر آب) است. با افزایش دما، انحلال‌پذیری آن در آب بهبود می‌یابد.

ویژگی‌های اتیل استات 

امروزه برای تولید اتیل استات از روش‌های نوینی مانند جداسازی همراه با واکنش شیمیایی استفاده می‌شود که نسبت به روش‌های سنتی مزایای بیشتری دارد. یکی از ویژگی‌های مهم اتیل استات، خاصیت روغن‌دوستی آن است. به دلیل ساختار استری اشباع‌شده، واکنش‌پذیری شیمیایی آن کند است. و در نتیجه سمیت کمتری نسبت به سایر حلال‌های صنعتی دارد. این حلال در تولید مواد مختلفی مانند نیتروسلولز، استات سلولز، رنگ‌ها، لوازم آرایشی، محلول‌های پلیمری و چسب‌ها کاربرد گسترده‌ای دارد. با این حال، قرار گرفتن طولانی‌مدت در معرض اتیل استات ممکن است باعث علائمی مانند ضعف، خواب‌آلودگی، کم‌حواسی و تحریکات بینی و گلو شود. در غلظت‌های بسیار بالا، این ماده می‌تواند اثرات افسردگی سیستم عصبی مرکزی و حتی مرگ‌آور داشته باشد. به همین دلیل، بازیابی ترکیبات آلی فرار مانند اتیل استات و کاهش غلظت آن در جریان‌های خروجی به دلیل نگرانی‌های زیست‌محیطی، مورد توجه صنعت و مراکز پژوهشی قرار گرفته است.

انتخاب اتیل استات به عنوان ماده جذب‌شونده به دلیل حضور آن به عنوان یک ترکیب فرار در بسیاری از میوه‌ها (مانند سیب و انگور) است. در فرآیند استخراج اسانس این میوه‌ها با استفاده از دی‌اکسید کربن فوق‌بحرانی. امکان آلودگی جریان خروجی دی‌اکسید کربن به اتیل استات وجود دارد.

 اهداف مورد بررسی

1- شبیه سازی ستون جذب برای حذف اتیل استات  از هوا

2- بهینه سازی فرایند در مدل

3- بررسی دقت مدل با سایر داده ها

4- تحلیل حساسیت فرایند و شناسایی متغیرهای فرایندی موثرتر

با توجه به اینکه فرایند جذب اتیل استات از هوا یک پدیده ی انتقال است. لذا این پدیده می تواند با معادلات انتقال شبیه سازی شود. ستون جاذب کربن فعال بدلیل داشتن سطح ویژه ی بسیار بالا می تواند به حذف اتیل استات از هوا اقدام نمود.

معادله حالت انتخاب شده

در این پژوهش، با استفاده از بسط معادلات موازنه جرم، انرژی و مومنتوم. یک مدل مناسب برای شبیه‌سازی فرآیند جذب سطحی به منظور حذف اتیل استات از هوا در یک ستون جذب بستر ثابت پر شده از جاذب کربن فعال توسعه داده شده است. معادله حالت انتخاب شده برای مدل‌سازی، معادله حالت پنگ-رابینسون است. که به عنوان حالت پایه در نرم‌افزار Aspen Plus استفاده می‌شود. این معادله به دلیل دقت بالا و سه پارامتری بودن، نسبت به معادلات دو پارامتری مانند وان در والس و ویریال، خطای کمتری دارد. و در عین حال، نسبت به معادلات پیچیده‌تر (مانند BWR) ساده‌تر است. همچنین، معادله تعادل مومنتوم مورد استفاده، معادله ارگون است که برای هر دو جریان آرام و آشفته مناسب بوده. و ترکیبی از معادله افت فشار بورک-پلامر (برای جریان آشفته) و معادله کارمان-کوزنی (برای جریان آرام) می‌باشد.

نوآوری پژوهش

تفاوت اصلی این پژوهش با مطالعات قبلی در موارد زیر است:

1. استفاده از معادله حالت پنگ-رابینسون برای مدل‌سازی.
2. استفاده از معادله ارگون برای تعادل مومنتوم که برای جریان‌های آرام و آشفته مناسب است.
3. بررسی تأثیر متغیرهای مختلف مانند دما، غلظت ورودی، ارتفاع بستر، ضرایب کلی انتقال جرم، سرعت گاز ورودی، ظرفیت اشباع کربن فعال و نفوذ مولکولی اجزاء.

شبیه‌سازی و مراحل فرآیند

شبیه‌سازی مدل در نرم‌افزار Aspen Plus انجام شده است. محیط شبیه‌سازی شامل ناحیه‌ای است که در آن جریان‌ها، عملیات واحد، ستون‌ها و صفحات جریان فرعی تعریف و تنظیم می‌شوند. شبیه‌سازی‌های هم‌دما برای مجموعه‌ای از غلظت‌های ورودی اتیل استات در سه دمای 30، 45 و 55 درجه سانتی‌گراد انجام شده‌اند. فرآیند حذف آلودگی اتیل استات در چهار مرحله زیر انجام می‌شود:

جذب با فشار بالا:

در این مرحله، اتیل استات توسط کربن فعال جذب می‌شود.

تخلیه جریان:

فشار سیستم کاهش می‌یابد.

دفع فشار پایین:

اتیل استات جذب‌شده از کربن فعال جدا می‌شود.

جریان مقابل:

سیستم برای چرخه بعدی آماده می‌شود.

در مراحل 1 و 2، بستر با استفاده از پوشش خنک‌کننده خنک می‌شود، و در مراحل 3 و 4، با استفاده از سیستم گرمایش الکتریکی گرم می‌شود. مرحله 1 با نرخ ثابت تغذیه انجام می‌شود. و زمانی متوقف می‌شود که فشار ستون به فشار کار مرحله 2 برسد. مرحله 2 نیز زمانی پایان می‌یابد که کسر مولی اتیل استات در جریان خروجی به 5٪ کسر مولی آن در جریان ورودی برسد.

مشخصات ستون جذب

ستون مورد استفاده در این پژوهش از جنس فولاد ضد زنگ با طول 40 سانتی‌متر ساخته شده است. که در آن 20 سانتی‌متر کربن فعال قرار دارد. بخش‌های بالا و پایین ستون با کره‌های شیشه‌ای (4 میلی‌متر) پر شده‌اند تا توزیع یکنواخت گاز را تضمین کنند. یک ترموکوپل در بالای ستون نصب شده است تا دما را در نقاط مختلف محوری بستر کنترل کند.

به‌کارگیری روش سطح پاسخ برای استخراج مدل ریاضی

در این پژوهش، از روش سطح پاسخ (RSM) برای استخراج مدل ریاضی و شناسایی بیشترین تأثیر متغیرها استفاده شده است. این روش با در نظر گرفتن تعداد متغیرها و محدوده‌های تعیین‌شده برای هر متغیر، یک ماتریس آزمایش طراحی می‌کند. این رویکرد باعث کاهش تعداد آزمون‌ها و تعیین سطوح هر متغیر در هر آزمایش می‌شود. روش سطح پاسخ به‌ویژه زمانی که تعداد متغیرها زیاد است. نسبت به روش‌های پرحجمی مانند طرح فاکتوریل کامل، کارآمدتر و مقرون‌به‌صرفه‌تر است. این روش بدون نیاز به تکرار آزمون‌ها، نتایج آماری قابل اعتمادی ارائه می‌دهد. و به‌طور کلی باعث تسهیل فرآیند تحقیق، کاهش زمان و هزینه‌ها می‌شود.

روش‌های طراحی سطح پاسخ

سه روش اصلی در طراحی سطح پاسخ وجود دارد:

مرکب مرکزی (Central Composite Design, CCD)

باکس-بنکن (Box-Behnken Design)

دهلرت (Doehlert Design)

در میان این روش‌ها، طرح مرکب مرکزی از اعتبار بیشتری برخوردار است و به‌طور گسترده‌ای در پژوهش‌ها استفاده می‌شود.

مزایای روش سطح پاسخ

کاهش تعداد آزمایش‌ها و در نتیجه صرفه‌جویی در زمان و هزینه.

امکان بررسی همزمان چندین متغیر و تعیین تأثیر متقابل آن‌ها.

ارائه نتایج آماری قابل اعتماد حتی بدون تکرار آزمایش‌ها.

تسهیل فرآیند بهینه‌سازی و شناسایی شرایط بهینه.

تعیین سطوح متغیرهای مستقل

در روش سطح پاسخ دامنه انتخاب شده برای هر فاکتور اهمیت زیادی دارد. دامنه هر فاکتور باید کدبندی شده و در محدوده 1- تا 1 قرار گیرد تا تحلیل رگرسیون به خوبی انجام پذیرد زیرا واحد متغیرهای مستقل یکسان نبوده و حتی در صورت یکسان بودن، دامنه انتخاب شده آن‌ها یکسان نمی‌باشد. برای این کار از فرمول زیر می‌توان استفاده نمود:

در اینجا  کد فاکتور،  مقدار واقعی فاکتور،  و  مقادیر کمینه و بیشینه فاکتور می­باشند. مقادیر واقعی بیشینه و کمینه هر یک از متغیرهای مستقل عبارتند از:

زاویه لغزش جانبی A (0 و 10 درجه)

فشار باد تایر B (10 و 20 psi)

بار عمودی روی چرخ C (200 و 3000 نیوتون)

کشش مالبندی D (0 و 2000 نیوتون)

سرعت زاویه‌ای چرخ E (1 و 6 دور بر دقیقه)

انتخاب طرح آزمایشی

در روش سطح پاسخ از طرح مرکب مرکزی (CCD) در قالب مرکز وجهی استفاده شد. در حالت مرکز وجهی حدود بیشینه و کمینه با کد سطح‌های (1+) و (1-) مشخص می‌شوند که در واقع تنها اطلاعاتی است که با توجه به مطالعات و ایده پژوهش، برای سطوح هر متغیر باید در اختیار نرم‌افزار آماری قرار گیرد. به این ترتیب سطح سوم به عنوان سطح صفر یا مرکزی (0)، مقداری بین کمینه و بیشینه است. البته اگر سطوحی خارج از سه سطح تعریف شده و در بین این سطوح قرار گیرند، به راحتی کدگذاری می‌شوند.

نمودارهای آماری تشریح مدل

برای بررسی عملکرد و صحت مدل‌های استخراج‌شده، شش نمودار آماری زیر استفاده شده‌اند:

نمودار پرشیدگی (Perturbation Plot):

مقایسه تأثیر پارامترها در یک نقطه خاص از فضای طراحی. شیب یا انحنای تند نشان‌دهنده حساسیت پاسخ به آن پارامتر است.

نمودار مقادیر واقعی در مقابل مقادیر پیش‌بینی‌شده:

بررسی تطابق بین مقادیر واقعی و پیش‌بینی‌شده توسط مدل.

نمودار نرمال مانده‌ها (Normal Probability Plot):

بررسی توزیع نرمال مانده‌ها. الگوهای غیرخطی مانند “S-شکل” نشان‌دهنده نیاز به تبدیل متغیر وابسته است.

نمودار باکس‌کاکس (Box-Cox Plot):

تعیین بهترین تابع تبدیل توانی برای بهبود مدل. نقطه حداقل در نمودار، مقدار بهینه لاندا را نشان می‌دهد.

نمودار مانده‌ها در مقابل مقادیر پیش‌بینی‌شده:

آزمون فرض واریانس ثابت. پراکندگی تصادفی نشان‌دهنده واریانس ثابت است.

(Externally Studentized Residuals Plot):

شناسایی نقاط غیرطبیعی با استفاده از حدود کنترل.

آزمایش‌های سطح پاسخ با استفاده از طرح مرکب مرکزی در حالت مرکز وجهی انجام شد. مدل مربعی با ویژگی‌های آماری مطلوب، شامل ریشه میانگین مربعات خطای کمتر و ضرایب تبیین بالاتر، به عنوان بهترین مدل برای پیش‌بینی نیروی جانبی بر روی سطح چمن انتخاب گردید. سپس با استفاده از روش گام به گام، مدلی ساده‌تر با تعداد جملات کمتر و ضریب تبیین مناسب به‌دست آمد. برای ارزیابی دقت مدل، مجموع مربعات مانده پیش‌بینی محاسبه شد. و مدلی که کمترین مجموع مربعات مانده را داشت، از اعتبار بیشتری برخوردار بود.

در این مطالعه، از روش طرح مرکب مرکزی (Central Composite Design) و تجزیه رگرسیون برای تحلیل داده‌ها استفاده شده است. هدف اصلی، استخراج ضرایب مدل گشتاور برگردان بر روی چمن با توجه به متغیرهای مستقل زیر بوده است:

زاویه لغزش جانبی (A)
فشار باد تایر (B)
بار عمودی (C)
نیروی کششی (D)
سرعت دورانی (E)

این متغیرها به صورت مقادیر کد شده در نظر گرفته شده‌اند. برای ساده‌سازی مدل، از نمودار باکس-کاکس (Box-Cox) استفاده شده و مقدار لاندا (λ) برابر با ۰٫۵- انتخاب گردیده است. این انتخاب به بهبود عملکرد مدل و ساده‌سازی آن کمک کرده است. مدل ارائه شده از دقت و قابلیت اطمینان مناسبی برخوردار است و می‌تواند به خوبی رفتار گشتاور برگردان را بر روی چمن پیش‌بینی کند.

در نتیجه، مدل استخراج شده با استفاده از روش‌های آماری پیشرفته و با توجه به متغیرهای مؤثر، توانسته است به خوبی رفتار سیستم را توصیف کند و می‌توان از آن برای تحلیل‌های بیشتر و بهینه‌سازی استفاده نمود.

یافتن نقطه بهینه عملکرد کششی

با استفاده از نرم‌افزار Design-Expert و بخش بهینه‌سازی آن، نقطه بهینه برای بیشینه‌کردن ضریب کششی تعیین شد. این نقطه با کمینه‌کردن گشتاور ورودی، بیشینه‌کردن نیروی کششی خالص و کمینه‌کردن لغزش به‌دست آمد.

بعد از یافتن مدل‌های رگرسیونی برای یافتن نقطه بهینه عملکرد کششی در بخش بهینه سازی نرم افزار دیزاین اکسپرت. برای تعیین نقطه بهینه ضریب کششی، مقدار گشتاور ورودی، نیروی کششی و لغزش را به عنوان توابع هدف به نرم‌افزار معرفی شد. نسبت بیشترین نیروی کششی به بارعمودی در نقاط بهینه برابر 0.00  می‌باشد. نتایج به‌دست آمده توسط بریکسیوس  و ویسمر لوث بهترین عملکرد کششی را در لغزش‌های بین هفت تا 15 درصد نشان می‌دهد. در حالیکه الولید این مقدار را برای اعداد چرخ بالا در لغزش‌های کمتر از 5 درصد و برای اعداد چرخ پایین، بیشتر از 5 درصد به‌دست آورده. و نشان داد که اعداد چرخ بالاتر، دارای ضریب کششی بیشتری می‌باشند.

Validation

اعتبارسنجی شبیه‌سازی جداسازی اتیل استات از هوا در برج کربن فعال فرآیندی است که به منظور اطمینان از دقت و صحت نتایج شبیه‌سازی انجام می‌شود. مراحل اصلی این فرآیند به شرح زیر است:

تعریف سیستم و مدل‌سازی

شبیه‌سازی اولیه

جمع‌آوری داده‌های تجربی

مقایسه نتایج شبیه‌سازی و تجربی

تحلیل انحراف

بهینه‌سازی مدل

نتایج و بحث

نتایج حاصل از شبیه‌سازی نشان می‌دهد که مدل توسعه‌یافته تطابق قابل قبولی با داده‌های تجربی دارد. بررسی تأثیر متغیرهای مختلف مانند دما، غلظت ورودی و سرعت گاز بر کارایی ستون جذب، نشان‌دهنده بهبود عملکرد سیستم در شرایط بهینه است. این پژوهش از این جهت حائز اهمیت است که با استفاده از معادلات پیشرفته و بررسی گسترده متغیرها، به نتایج دقیق‌تری دست یافته است.

شرکت فرآیند صنعت آنیل پارس

شرکت فرایند صنعت آنیل پارس با تمرکز بر شبیه‌سازی و مدلسازی ریاضی، به ویژه با استفاده از نرم‌افزار اسپن پلاس، توانایی‌های قابل توجهی در این حوزه دارد. همچنین با به‌کارگیری روش‌های پیشرفته شبیه‌سازی، می‌تواند فرآیندهای صنعتی را به‌طور دقیق مدل‌سازی کرده و به تحلیل و بهینه‌سازی آن‌ها بپردازد. علاوه بر این، طراحی آزمایش با استفاده از نرم‌افزار Design Expert نیز یکی از توانمندی‌های کلیدی این شرکت است. در این نرم‌افزار با استفاده از روش‌های آماری، می‌توان آزمایش‌های بهینه‌سازی را طراحی و اجرا کرده و نتایج را به‌طور علمی تجزیه و تحلیل نمود. به‌طور کلی، شرکت فرایند صنعت آنیل پارس با ترکیب شبیه‌سازی و طراحی آزمایش، به بهبود عملکرد و افزایش بهره‌وری فرآیندهای صنعتی کمک می‌کند. این رویکرد به مشتریان این امکان را می‌دهد تا تصمیم‌گیری‌های بهتری در زمینه‌های مختلف تولید و فرآوری داشته باشند.

پروژه‌های مرتبط

شبیه سازی فرایند جداسازی آب و اتیل استات با اسپن پلاس

شبیه سازی واحد تولید اتیل استات با ظرفیت 2400 تن در سال (300 کیلوگرم در ساعت)

طراحی مهندسی، شبیه‌سازی و امکان‌سنجی اقتصادی مجتمع اتیل استات با ظرفیت100KTY

شبیه‌سازی تولید اتیل استات به روش تقطیر واکنشی در نرم‌افزار اسپن پلاس

نتیجه‌گیری