عملیات واحد

از ویکی‌پدیا، دانشنامهٔ آزاد
پرش به: ناوبری، جستجو

عملیات واحد(به انگلیسی: Unit operation) علمی است که به بررسی فرایندهای جداسازی مورد استفاده در صنایع شیمیایی می‌پردازد.تقطیر،تبخیر، انواع روش‌های استخراج،تبلور و... در علم عملیات واحد به طور مفصل مورد بررسی قرار می‌گیرد. مفاهیم انتقال جرم،انتقال حرارت و ترمودینامیک، اساس مفاهیم و تئوری‌های عملیات واحد هستند.

مقدمه:

برای هر جداسازی به دو ظرف نیاز است که در فرایند تقطیر این دو ظرف دو فاز مایع و بخار می¬باشند و اساس تقطیر بر تعادل بین مایع و بخار استوار است. در فرایند تقطیر دو یا چند جزء بر اساس اختلاف نقطه جوششان یا به عبارت دیگر اختلاف فراریتشان جداسازی می¬شوند بدین صورت که جزء یا اجزایی که دارای نقطه جوش پایین¬تری باشند یا به عبارت دیگر فراریت بیشتری داشته باشند بیشتر در فاز بخار ظاهر می¬شوند که به این جزء، جزء سبک نیز گفته می¬شود و جزء یا اجزایی که نقطه جوش بیشتری داشته باشند و یا به عبارت دیگر فراریت کمتری داشته باشند بیشتر در فاز مایع ظاهر می¬شوند که به این جزء، جزء سنگین گفته می¬شود و در نهایت با جداسازی فازها می¬توان به طور نسبی اجزاء را از یکدیگر جدا نمود. پس با توجه به اینکه تعادل بین دو فاز مایع و بخار بر جداسازی اجزاء و طراحی برج تقطیر تاثیرگزار است باید قبل از هر چیز تعادل مایع و بخار مورد بررسی قرار گیرد. از منظر ترمودینامیک، تعادل مایع و بخار حالت پایداری است که در آن هیچ یک از خواص ماکروسکوپی دو فاز شامل دما، فشار و غلظت تغییر نکند. راهکارهای مختلفی وجود دارد که بتوان غلظت فاز مایع و بخار را در حالت تعادل بدست آورد که در زیر به این موارد اشاره شده است.

اساس روش تبخیر ناگهانی:

یکی از فرایندهای جداسازی ساده که به طور معمول انجام شده و از روش¬های قدیمی محسوب می¬شود، تبخیر ناگهانی است. در این فرایند قسمتی از خوراک در محفظه تبخیر ناگهانی، تبخیر شده که در این شرایط مایع و بخار با هم در حال تعادل ترمودینامیکی هستند و مواد با فراریت بالا (دمای جوش پایین¬تر) تمایل دارند در فاز بخار باشند و موادی که فراریت کمتری (دمای جوش بالاتر) دارند تمایل دارند در فاز مایع باقی بمانند. در این روش جداسازی کامل دو یا چند جزء امکان¬پذیر نمی¬باشد.

روش مک¬کیب-تیلی:

تقطیر یکی از پر کاربردترین روش¬های جداسازی می¬باشد که ابتدا برای جداسازی آب و الکل مورد استفاده قرار گرفته است. در تقطیر دو جزئی که مورد بحث این فصل می¬باشد، دو جزء بر اساس توزیع بین دو فاز مایع و بخار از یکدیگر جدا می¬شوند. اگرچه در صنایع نفت و پتروشیمی ممکن است تقطیر دو جزئی کمتر رخ دهد اما بررسی روش¬های ساده که باعث افزایش درک مهندسان از این فرایند شود، بسیار مفید است ضمناً یکی از روش¬های حل مسائل پیچیده تقطیر چند جزئی، تبدیل فرایند به تقطیر دو جزئی و حل آن می¬باشد. از طرفی گاهی اوقات نرم¬افزارهایی همچون Hysys و Aspen Plus به راحتی قادر به حل مسائل تقطیر چند جزئی نیستند که در چنین حالتی ابتدا این مسائل توسط کاربر به تقطیر دو جزئی تبدیل شده تا پروفایل دما، دبی مایع و بخار در قسمت¬های مختلف برج بدست آید سپس نرم¬افزار مربوط بر اساس پروفایل حدس زده شده مسئله را حل می¬نماید. از آنجا که هدف بررسی روش¬هایی است که مهندسان بتوانند اثر پارامترهای مختلف را بر فرایند تقطیر بهتر متوجه شده و مورد تحلیل قرار دهند، روش¬های ترسیمی بر روش¬های محاسباتی ارجحیت دارند. یکی از این روش¬های ترسیمی روش مک¬کیب- تیلی است. که در ادامه به شرح آن خواهیم پرداخت. فرضیات روش مک¬کیب- تیلی در این روش که یک روش ترسیمی است هدف بدست آوردن تعداد سینی¬های لازم در برج تقطیر می¬باشد. روش مک¬کیب- تیلی بر فرضیات زیر استوار است. ۱- آنتالپی تبخیر دو جزء در همه دماها با هم برابر باشند ۲- از گرمای انحلال صرف¬نظر می¬شود. ۳- انتقال حرارت بین محیط و برج وجود نداشته باشد. ۴- مایع و بخار خروجی از هر سینی کاملاً در حال تعادل باشند. سه فرض اول باعث می¬شود که دبی مایع و بخار در هر قسمت ثابت باشد زیرا وقتی بخار از پایین برج به سمت بالای برج حرکت می¬کند جزء سبک (A) موجود در مایع تبخیر شده و وارد فاز بخار می¬شود و جزء سنگین (B) نیز میعان شده و از فاز بخار جدا می¬شود. وقتی جزء سنگین میعان می¬شود به اندازه آنتالپی تبخیرش انرژی آزاد می¬کند که این گرمای آزاد شده باعث تبخیر جزء سبک می¬شود. در صورتی که آنتالپی تبخیر هر دو جزء با هم برابر باشند به ازای هر یک گرم مول از جزء سنگین که میعان می¬شود، یک گرم مول جزء سبک تبخیر می¬شود و دبی مایع و بخار در هر قسمت از برج ثابت می¬ماند. که این پدیده در حقیقت انتقال جرم هم مولار غیرهمسو می¬باشد.

انتقال جرم هم مولار غیر همسو به گرمای انحلال نیز بستگی دارد به طور مثال فرض کنیم آنتالپی تبخیر هر دو جزء باشد وقتی یک گرم مول از جزء سنگین میعان می¬شود انرژی آزاد می¬شود و چون غلظت جزء سنگین در فاز مایع زیاد می¬شود گرمای انحلال به میزان آزاد می¬شود. پس با میعان یک گرم مول از جزء سنگین و انحلال در فاز مایع، جمعاً انرژی آزاد می¬شود که باعث تبخیر شدن از جزء سبک خواهد شد پس نتیجه می¬گیریم برای داشتن انتقال جرم هم مولار غیر همسو علاوه بر اینکه لازم است آنتالپی تبخیر اجزاء با یکدیگر برابر باشند، باید گرمای انحلال نیز وجود نداشته باشد. انتقال جرم هم مولار غیر همسو به انتقال حرارت بین برج و محیط نیز وابسته است به طور مثال فرض کنیم آنتالپی تبخیر هر دو جزء برابر باشد و گرمای انحلال نیز وجود نداشته باشد. وقتی که یک گرم مول جزء سنگین میعان می¬شود انرژی آزاد می¬شود در صورتی که اتلاف حرارتی بین برج و محیط به ازای یک گرم مول از میعان ایجاد شده باشد عملاً انرژی برای تبخیر جزء سبک باقی می¬ماند که تنها می¬تواند از جزء سبک تبخیر کند. پس برای داشتن انتقال جرم هم مولار غیر همسو باید هر سه شرط اول مک¬کیب- تیلی به صورت همزمان برقرار باشد. روش مک¬کیب- تیلی همانطور که قبلاً ذکر شد هدف از روش ترسیمی مک¬کیب- تیلی بدست آوردن تعداد سینی¬های لازم در برج تقطیر است برای این منظور لازم است مشخصات زیر را داشته باشیم. ۱- دبی، غلظت و حالت ترمودینامیکی خوراک ۲- غلظت محصول بالای برج ۳- غلظت محصول پایین برج رسم خطوط عملیاتی بین هر دو سینی از برج، مایع و بخار کنار یکدیگر عبور می¬کنند. غلظت جزء سبک در فاز بخار بر حسب غلظت جزء سبک در فاز مایع را خط عملیاتی گویند. با توجه به سه شرط اول روش مک¬کیب- تیلی، موازنه انرژی نقشی در خطوط عملیاتی ندارد و رسم خطوط عملیاتی فقط به موازنه جرم وابسته است.

روش پانچوان-ساواریت:

در فصل قبل روش مک¬کیب- تیلی مورد بررسی قرار گرفت. همانطور که در ابتدای فصل قبل ذکر شد این روش دارای فرضیاتی است که می¬تواند مسئله را از حالت واقعی دور کند به طور مثال ممکن است موادی که از یکدیگر جدا می¬شوند آنتالپی تبخیر یکسان نداشته باشد یا اینکه فقط در یکی دمای خاص آنتالپی آنها با هم برابر باشد و با تغییر دما آنتالپی تبخیر مواد تغییرات متفاوتی داشته باشد. در مثالی دیگر می¬توان به جداسازی اسیدها اشاره کرد و در این جداسازی نمی¬توان از گرمای انحلال صرف¬نظر کرد و نکته¬ای که خیلی اهمیت دارد این است که نمی¬توان از انتقال حرارت بین برج و محیط چشمپوشی نمود. مجموعه این موارد باعث می¬شوند که نتوان از روش مک¬کیب- تیلی به عنوان یک روش دقیق یاد کرد اما در عین حال این روش سادگی خاص خود را دارد و اثر پارامترهای مختلف بر تقطیر دو جزء را به خوبی به صورت ترسیمی نشان می¬دهد. همانطور که در روش مک¬کیب- تیلی مشاهده شد برای حل مسئله و رسم خطوط تعادل فقط از موازنه جرم استفاده می¬شد و با توجه به سه فرض اول این روش، نیازی به موازنه انرژی نبود. اما در صورتی که بخواهیم سه شرط اول این روش را حذف کرده و مسئله را به حالت واقعی نزدیک کنیم باید از موازنه جرم و انرژی به صورت همزمان بهره جست. برای این منظور می¬توان از روش پانچوان- ساواریت استفاده نمود. از آنجا که با نوشتن موازنه جرم و انرژی به صورت همزمان و رسم آن روی نمودار مک¬کیب- تیلی، خطوط عملیاتی تبدیل به منحنی عملیاتی می¬شوند و امتداد دادن منحنی همانند خط امکان¬پذیر نیست، پانچوان و ساواریت از دیاگرام آنتالپی- غلظت استفاده نمودند. پس لازم است قبل از تشریح روش پانچوان- ساواریت، به طور مختصر با دیاگرام آنتالپی- غلظت و طریقه استفاده از آن آشنا شویم.[۱]

منابع[ویرایش]

۱- کتاب عملیات واحد (۱)، سامان موسویان- داود عشوری، امیر حسین قندی، انتشارات یزدا، چاپ اول

  1. Unit operations of chemical engineering,Warren Lee McCabe, Julian Cleveland Smith, Peter Harriott,McGraw-Hill, 2005 ISBN 0072848235, 9780072848236

لینکهای دانلود کتاب عملیات واحد (۱): http://uploadtak.com/images/a4846__.pdf http://uplod.ir/jpnzoz4eqioh/_____________________.pdf.htm

جستارهای وابسته[ویرایش]