مقدمه
اتانول، که به عنوان الکل اتانول نیز شناخته می‌شود، یکی از ترکیبات شیمیایی پرکاربرد است که در صنایع مختلف از جمله سوخت‌های زیستی، صنایع غذایی و دارویی نقش حیاتی دارد. با این حال، تولید اتانول خالص و با کیفیت بالا با چالش‌هایی همراه است. یکی از مشکلات اساسی در فرآیند تولید اتانول، جداسازی آن از آب است که به دلیل تشکیل آزئوتروپ بین آب و اتانول بسیار پیچیده می‌شود. آزئوتروپ به مخلوطی گفته می‌شود که ترکیب آن در نقطه جوش به ثبات رسیده و جداسازی مؤثر آن از سایر اجزا با تقطیر ساده غیرممکن می‌شود. در مورد اتانول، آزئوتروپ بین اتانول و آب معمولاً حاوی حدود 95.63% وزنی اتانول است، که جداسازی این مخلوط به روش‌های معمول تقطیر را دشوار می‌کند.
برای مقابله با این مشکل، روش‌های متنوعی وجود دارد که یکی از آنها آب‌زدایی هتروژنی اتانول است. در این روش، استفاده از یک حلال ثالث به منظور شکستن آزئوتروپ و تسهیل فرآیند جداسازی به کار می‌رود. انتخاب و استفاده از حلال مناسب می‌تواند تأثیر زیادی بر کارایی فرآیند، هزینه‌های عملیاتی و بهره‌وری انرژی داشته باشد.
شرح فرآیند
فرآیند آب‌زدایی اتانول شامل جداسازی اتانول از آب به منظور دستیابی به اتانول خالص‌تر است. این فرآیند به دلیل تشکیل آزئوتروپ بین آب و اتانول (که در حدود 95.63% اتانول وزنی رخ می‌دهد) نیاز به استفاده از روش‌های خاصی دارد. یکی از این روش‌ها، آب‌زدایی هتروژنی است که در آن از یک حلال ثالث (مانند بنزن یا سیکلوهگزان) برای شکستن آزئوتروپ و تسهیل جداسازی استفاده می‌شود.
مراحل فرآیند
فرآیند آب‌زدایی هتروژنی اتانول به طور کلی شامل مراحل زیر است:
- پیش‌تغلیظ‌کننده: در این مرحله، مخلوط آب و اتانول وارد یک ستون تقطیر اولیه می‌شود تا اتانول تغلیظ شود.
- ستون آزئوتروپ: در این ستون، حلالی به سیستم اضافه می‌شود تا آزئوتروپ آب-اتانول شکسته شود و امکان جداسازی بیشتر فراهم گردد.
- ستون بازیابی: در این مرحله، حلال و آب از اتانول جدا شده و بازیافت می‌شود تا به چرخه بازگردد.
انتخاب حلال
انتخاب حلال مناسب در این فرآیند بسیار حیاتی است. در این پژوهش، سه حلال بنزن، سیکلوهگزان و اتیلن گلیکول بررسی و مقایسه شدند. هدف اصلی انتخاب حلال، دستیابی به خلوص بالای اتانول با حداقل مصرف انرژی و هزینه‌های عملیاتی است.
شبیه‌سازی در نرم‌افزار Aspen Plus
در این پروژه، از نرم‌افزار Aspen Plus با نسخه 10 و بار دیگر با نسخه 12 برای شبیه‌سازی فرآیند آب‌زدایی هتروژنی اتانول استفاده شد. در ادامه، مراحل مختلف شبیه‌سازی، انتخاب مدل‌های ترمودینامیکی، تنظیمات و پارامترهای عملیاتی و تحلیل نتایج به طور دقیق‌تر شرح داده شده است.
مراحل اولیه شبیه سازی
- تعریف اجزا: در این بخش، اجزای اصلی مخلوط شامل اتانول، آب و حلال انتخاب شده (مانند بنزن) در نرم‌افزار تعریف شدند.
- انتخاب مدل ترمودینامیکی: مدل NRTL به دلیل دقت بالا در پیش‌بینی رفتار فازی مخلوط‌های آزئوتروپیک انتخاب شد.
- وارد کردن داده‌های فیزیکی: داده‌های ترمودینامیکی مورد نیاز مانند آنتالپی تبخیر، ضریب فعالیت و پارامترهای مربوط به مدل NRTL برای هر جز وارد نرم‌افزار شدند.
- تنظیمات شرایط عملیاتی: دما و فشار عملیاتی برای هر یک از بخش‌های فرآیند مشخص گردید.
شرح شبیه‌سازی
فرآیند آب‌زدایی هتروژنی اتانول شامل چندین مرحله است که هر کدام به صورت جداگانه در نرم‌افزار شبیه‌سازی شدند. مهم‌ترین بخش‌های این فرآیند شامل ستون‌های تقطیر پیش‌تغلیظ، ستون تقطیر آزئوتروپ و ستون بازیابی حلال می‌باشند.
مدل‌سازی ستون پیش‌تغلیظ
ستون پیش‌تغلیظ (Pre-concentration Column) وظیفه افزایش غلظت اتانول را بر عهده دارد. در این مرحله:
- تعریف ستون: تعداد سینی‌ها، ارتفاع و قطر ستون، و نوع توزیع جریان (فاز مایع و بخار) تنظیم شد.
- ورودی‌ها و خروجی‌ها: جریان ورودی شامل مخلوط آب و اتانول با غلظت اولیه مشخص و خروجی به صورت اتانول تغلیظ شده و پساب تنظیم گردید.
- تحلیل خروجی: خلوص اتانول در محصول خروجی و درصد بازیافت آن محاسبه و تحلیل شد.
مدل‌سازی ستون آزئوتروپ
در این مرحله، به منظور شکستن آزئوتروپ بین آب و اتانول، حلال به ستون اضافه می شود.
- تعریف ستون: ستون آزئوتروپ با تعداد سینی‌های بیشتر نسبت به ستون پیش‌تغلیظ تنظیم شد تا تماس مؤثرتر بین فازها فراهم گردد.
- ورود حلال: محل و نرخ جریان ورود حلال به ستون بهینه‌سازی شد تا بیشترین جداسازی ممکن انجام شود.
- شبیه‌سازی عملکرد: نتایج شبیه‌سازی شامل خلوص اتانول در فاز بخار و مایع در هر سینی و تأثیر مقدار حلال بر روی این خلوص‌ها تحلیل شدند.
مدل‌سازی ستون بازیابی حلال
هدف این بخش، جداسازی حلال از آب و بازیابی آن برای استفاده مجدد در فرآیند است:
- تعریف ستون بازیابی: این ستون با تعداد سینی‌های کمتر و دمای عملیاتی پایین‌تر نسبت به ستون آزئوتروپ تنظیم شد.
- شبیه‌سازی بازیافت: درصد بازیافت حلال و میزان انرژی مصرفی برای جداسازی آن به عنوان معیارهای اصلی مورد ارزیابی قرار گرفت.
نتیجه‌گیری
این پروژه نشان داد که شبیه‌سازی فرآیند آب‌زدایی اتانول با استفاده از نرم‌افزار Aspen Plus می‌تواند درک بهتری از رفتار سیستم و انتخاب شرایط عملیاتی مناسب برای جداسازی مؤثر ارائه دهد. استفاده از حلال بنزن به عنوان عامل شکستن آزئوتروپ نتایج مطلوبی از نظر فنی به دست آورد. پیشنهاد می‌شود.
پروژه های مرتبط
شرکت آنیل پارس با موفقیت، پروژه‌های متعددی را در زمینه آب زدایی هتروژنی اتانول اجرا نموده است، از جمله:
1.بهبود شبیه‌سازی فرآیند آب‌زدایی هتروژنی اتانول با استفاده از رگرسیون داده در اسپن پلاس
در این پروژه، بهبود شبیه‌سازی فرآیند آب‌زدایی هتروژنی اتانول با استفاده از رگرسیون داده برای افزایش دقت شبیه‌سازی و دستیابی به نتایج بهینه‌تر در نرم‌افزار Aspen Plus انجام شده و به تحلیل و بهینه‌سازی پارامترهای عملیاتی پرداخته است.
2. شبیه‌سازی فرآیند آب‌زدایی اتانول با استفاده از مدل UNIQUAC در اسپن پلاس
پس از بررسی و شبیه‌سازی فرآیند آب‌زدایی اتانول با استفاده از مدل NRTL، که نتایج آن مورد تحلیل قرار گرفت، در این پروژه به بررسی این فرآیند با استفاده از مدل ترمودینامیکی UNIQUAC پرداخته‌ایم. این مدل با در نظر گرفتن برهم‌کنش‌های غیر ایده‌آل بین اجزای مخلوط، دقت بالاتری در پیش‌بینی رفتار فازی و جداسازی مخلوط‌ها به ویژه در شرایط پیچیده‌تر از خود نشان می‌دهد.
3.شبیه سازی و بهینه‌سازی جداسازی اتانول از آب در اسپن پلاس
در این پژوهش، فرآیند آب‌زدایی هتروژنی اتانول با استفاده از نرم‌افزار Aspen Plus و با هدف تعمیم به یک واحد صنعتی، شبیه‌سازی و بهینه‌سازی شده است. هدف اصلی این پروژه، کاهش هزینه‌های عملیاتی و افزایش بهره‌وری انرژی با در نظر گرفتن شرایط واقعی واحد صنعتی است.
4.شبیه‌سازی دینامیک فرآیند آب‌زدایی هتروژنی اتانول با اسپن پلاس
در این پروژه، شبیه‌سازی دینامیک فرآیند آب‌زدایی هتروژنی اتانول با استفاده از نرم‌افزار Aspen Plus Dynamics شرح داده شده است. این گزارش با هدف تحلیل رفتار دینامیکی فرآیند و بهینه‌سازی شرایط عملیاتی و سیستم‌های کنترلی ارائه شده است.
شبیه سازی فرآیند آب‌زدایی هتروژنی اتانول با نرم‌افزار اسپن پلاس
در این پروژه، شبیه سازی فرآیند آب‌زدایی هتروژنی اتانول با استفاده از نرم‌افزار Aspen Plus نسخه 10 و 12 بر مبنای روش‌ها و داده‌های مقاله انجام شده و به تحلیل و بهینه‌سازی پارامترهای عملیاتی پرداخته است. جهت خرید پروژه و یا کسب اطلاعات بیشتر در مورد آن، از طریق لینک زیر اقدام نمایید.