واحد: تقطیر عملیات اول فصل مقدمه1 ) ر می باشند.بل توجهی فران قان آن به میزا که کلیۀ سازندگای به کار می رودول هایسازی محلر جدالاف تبخیر، تقطیر د برخ2 ) وان را به عنند اخیرن پذیر است، فرآیمکا تقطیر ا توسطًعمولاات بعدی که م نیاز به عملیلات خالص بدون تهیۀ محصوستقیم وسازی م جدام درآورده است.نتقال جرت ان عملیاهمتری م3 ) نمی باشد.سازی برای جدا مناسبینتخابستقیم ا غیرمد، روش های خالص مدنظر باش در مواردی که محصول4 ) ه جزء مناسباشد، تقطیر جزء بواخت نب با دما یکنسب است؛ و اگر افزایش حجم، تقطیر ساده مناخت باشد یکنوا با دما اگر افزایش حجم است.عادلات بخار ت– مایع1 ) فشار به غلظت سازش علاوه بردجزئی، نقطۀ جوول های چن برای محلمار بستگی دارد، ا مادۀ خالص فقط به فشا نقطۀ جوش نیدگان ن ز بستگی دارد.عادل در فشار ثابت ت بخار و مایع در فشار ثابت تعادل فازهای1 ) گیرد. مینجام شبنم ااب تا از نقطۀ حبودۀ دمار یک محدرا عمل تبخیر د است، زیول فاقد معنی نقطۀ جوش یک محل2 ) هم نزدیکنم به و شب های جوش مادۀ خالص بالا می رود و منحنی)قطۀ شبنمو ن( یم، نقطۀ جوش زیاد کنر راگر فشا ا تر می شوند.
114
Embed
عیام راخب تالداعت - bayanbox.irbayanbox.ir/view/2772762078813651709/عملیات-واحد-1-و-2.pdf · تباث یامد رد لداعت تباث یامد رد عیام
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
فصل اول عملیات واحد: تقطیر
مقدمه
برخلاف تبخیر، تقطیر در جداسازی محلول هایی به کار می رود که کلیۀ سازندگان آن به میزان قابل توجهی فرار می باشند. (1
جداسازی مستقیم و تهیۀ محصولات خالص بدون نیاز به عملیات بعدی که معمولاً توسط تقطیر امکان پذیر است، فرآیند اخیر را به عنوان (2
مهمترین عملیات انتقال جرم درآورده است.
در مواردی که محصول خالص مدنظر باشد، روش های غیرمستقیم انتخاب مناسبی برای جداسازی نمی باشد. (3
اگر افزایش حجم با دما یکنواخت باشد، تقطیر ساده مناسب است؛ و اگر افزایش حجم با دما یکنواخت نباشد، تقطیر جزء به جزء مناسب ( 4
است.
مایع –تعادلات بخار
ز ندگان نینقطۀ جوش مادۀ خالص فقط به فشار بستگی دارد، اما برای محلول های چندجزئی، نقطۀ جوش علاوه بر فشار به غلظت ساز( 1
بستگی دارد.
𝑻𝒙𝒚تعادل در فشار ثابت
تعادل فازهای بخار و مایع در فشار ثابت
نقطۀ جوش یک محلول فاقد معنی است، زیرا عمل تبخیر در یک محدودۀ دما از نقطۀ حباب تا شبنم انجام می گیرد. (1
تر می شوند.اگر فشار را زیاد کنیم، نقطۀ جوش )و نقطۀ شبنم( مادۀ خالص بالا می رود و منحنی های جوش و شبنم به هم نزدیک (2
𝑥به خط 𝑥𝑦با افزایش فشار، منحنی تعادلی (3 = 𝑦 تر می شود. اثر افزایش فشار در تر شده و در نتیجه جداسازی اجزاء سختنزدیک
ده است.شکل زیر نشان داده ش
، چون منحنی شبنم بالاتر از منحنی جوش قرار دارد، بنابراین درجه حرارت فاز بخار بیشتر از درجه حرارت فاز مایع 𝑇𝑥𝑦با توجه به نمودار (4
است. این حالت در تمامی مواقع بجز در نقطۀ آزئوتروپ صادق است.
کاربرد بیشتری دارد. 𝑇𝑥𝑦در برج تقطیر، تغییرات فشار کم ولی تغییرات دما زیاد است، به همین جهت منحنی (5
𝑦( هر چه فشار بیشتر شود، منحنی تعادلی به خط 6 = 𝑥 نزدیک( تر شده و ضریب فراریت𝛼کاهش می ) یابد. از طرف دیگر، با تغییر غلظت
های نزدیک به صفر است. به عنوان های نزدیک به یک بیشتر از جزء مولیکند و برای جزء مولییر میدر محلول، مقدار ضریب فراریت تغی
مثال:
(𝐼) 𝑦 =3𝑥
2𝑥 + 1 → 𝛼1 = 3 (𝐼𝐼) 𝑦 =
2.2𝑥
1.2𝑥 + 1 → 𝛼2 = 2.2
𝛼1 > 𝛼2 → 𝑃1 < 𝑃2
𝑷𝒙𝒚تعادل در دمای ثابت
در دمای ثابتتعادل فازهای بخار و مایع
𝑥به خط 𝑥𝑦تر شده و منحنی تعادلی بالا رفته و باریک 𝑃𝑥𝑦اگر دما را زیاد کنیم، منحنی (1 = 𝑦 تر می شود.نزدیک
انحراف از حالت ایده آل
تر باشد، مخلوط دارای انحراف مثبت و اگر اگر فشار کل مخلوط از فشاری که بر اساس روابط محلول های کامل محاسبه می شود، بزرگ (1
تر باشد، دارای انحراف منفی از قانون رائولت است.کوچک
از حالت ایده آل انحراف منفی از حالت ایده آل انحراف مثبت
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 (2
ی که هاین در مخلوط زیاد است، صادق می باشد. این مطلب برای کلیۀ مواد، باستثنای آنای که غلظت آدیگر، قانون رائولت در مورد سازنده
در فاز بخار همبسته تشکیل می دهند و یا در فاز مایع تفکیک می شوند، صادق است.
ها دارای انحراف مثبت از حالت ایده آل هستند. بسیاری از مخلوط (3
سیستم های آزئوتروپی )هم جوشی(
سازنده تفاوت زیادی با هم ندارند، با منحنی های تعادلی سروکار داریم که در این منحنی ها، در یک 2برخی موارد که فشارهای بخار در (1
𝑦نقطه، ترکیب درصد فازهای بخار و مایع با هم برابر هستند ) = 𝑥 این سیستم ها را سیستم های آزئوتروپی گویند. در این حالت انحراف .)
ده آل زیاد است که با توجه به نوع انحراف از حالت کامل، با دو نوع سیستم آزئوتروپی مواجه هستیم:از حالت ای
حداقل نقطۀ جوش )فشار ماکزیمم(: .1
، دما از دمای اشباع تک تک 𝑇𝑥𝑦، فشار کل مخلوط از فشار اشباع تک تک اجزاء بیشتر و یا در منحنی 𝑃𝑥𝑦اگر در نقطه ای از منحنی ( 2
کمتر باشد، سیستم دارای آزئوتروپ با حداقل نقطۀ جوش )فشار ماکزیمم( است. اجزاء
جوش با حداقل نقطۀ جوشمخلوط هم
𝛼چون در نقطۀ هم جوش (3 = می باشد، سازندگان محلول هایی از این نوع را نمی توان به روش تقطیر معمولی به طور کامل از یکدیگر 1
ییر فشار، هم جوشی را از بین می برند.جدا نمود. در بعضی موارد با تغ
بیشتر می باشد. 𝑦از 𝑥و پس از آن 𝑥از 𝑦در فشار ثابت، قبل از نقطۀ آزئوتروپ 𝑥𝑦با توجه به منحنی (4
اگر فشار کل واقعی در یک نقطه از فشار اشباع تک تک اجزاء بیشتر باشد، سیستم حتماً دارای آزئوتروپ است، ولی ممکن است نقطۀ (5
موردنظر، نقطۀ آزئوتروپ نباشد.
ص بیشتر باشد، مشخاگر در درصد ترکیبی از مخلوط، فشار کل واقعی از فشار اشباع مادۀ فرارتر کمتر و از فشار اشباع مادۀ غیرفرارتر (6
نیست که سیستم آزئوتروپ دارد یا نه؛ زیرا امکان وجود آزئوتروپ در ترکیب نسبی دیگری وجود دارد.
در نقطۀ آزئوتروپ داریم: (2
𝜕𝑃𝑡
𝜕𝑥= 0
𝜕𝑃𝑡
𝜕𝑦= 0
𝑃𝑡بنابراین با توجه به معادلۀ = 𝑃𝐴 + 𝑃𝐵 = 𝑥𝐴𝑃𝐴𝑠𝑎𝑡 + (1 − 𝑥𝐴)𝑃𝐵
𝑠𝑎𝑡ول ایده آل هیچ وقت تشکیل آزئوتروپ نمی دهد.، محل
و جزء 0.8.4، جزء مولی ℃28.2ها در فشار اتمسفر، دمای جوشی آنها، آب و اتانول می باشد که نقطۀ همیکی از مهمترین این مخلوط (8
جوشی این مخلوط حذف می شود.نقطۀ هم 20𝑚𝑚𝐻𝑔است. با کاهش فشار تا 65..0جرمی
جوش )فشار مینیمم(:حداکثر نقطۀ .2
، فشار کل مخلوط از فشار اشباع تک تک اجزاء کمتر باشد، سیستم دارای آزئوتروپ با حداکثر نقطۀ جوش 𝑃𝑥𝑦اگر در نقطه ای از منحنی (1
، دما از دمای اشباع تک تک اجزاء بیشتر می باشد.𝑇𝑥𝑦)فشار مینیمم( می باشد. به عبارت دیگر در منحنی
جوش با حداکثر نقطۀ جوشهممخلوط
بیشتر است. 𝑦 از 𝑥و پس از آن 𝑥 از 𝑦، قبل از نقطۀ آزئوتروپ 𝑥𝑦با توجه به منحنی (2
هایی که دارای آزئوتروپ با حداکثر نقطۀ جوش می باشد، اسیدکلریدریک و آب است. از این خاصیت در ترین مخلوطیکی از معروف (3
یک استفاده می کنند.استاندارد کردن اسید کلریدر
شود.تر و از بالای برج محصول در نقطۀ آزئوتروپ خارج می( در این نوع آزئوتروپ، از پایین برج محصول سبک4
درجۀ آزادی فرآیند تقطیر
درجۀ آزادی سیستم از فرمول زیر محاسبه می شود:
𝐹 = 2 − 𝜋 + 𝑁 − 𝑟 − 𝑠
که در آن:
𝐹درجۀ آزادی :
𝑁 هاسازنده: تعداد
𝜋تعداد فازها :
𝑟های مستقل: تعداد واکنش
𝑠تعداد روابط محدودکننده :
𝑠اگر در برج تقطیری فشار ثابت باشد، * = است. 1
وجود آزئوتروپ یک رابطۀ محدودکننده به حساب می آید. *
(𝑯𝒙𝒚غلظت ) –نمودار آنتالپی
غلظت -نمودار آنتالپی
𝑄در فشار ثابت ) 𝐻𝑥𝑦اطلاعات مربوط به نمودار (1 = Δ𝐻.بدست می آیند )
خطوط رابط افقی نیستند. 𝐻𝑥𝑦در تصویر (2
𝐻𝐺مربوط به بخار داغ و ناحیۀ بین 𝐻𝐺مربوط به مایع سرد و ناحیۀ بالای منحنی 𝐻𝐿ناحیۀ زیر منحنی (3 مربوط به سیستم دوفازی 𝐻𝐿 و
است.
با یکدیگر برابر و ظرفیت های حرارتی دو سازنده در محدودۀ دمای موردنظر ثابت و گرمای 𝐴 و 𝐵در صورتی که گرمای نهان تبخیر ( 4
به صورت خطوط مستقیم و موازی یکدیگر می باشند. 𝐻𝐺𝑦و 𝐻𝐿𝑥انحلال برابر صفر باشد، منحنی های
ای منفی و در نقطۀ ای مثبت و در حدودهدر محدوده 𝐻𝑥𝑦خطوط رابط در منحنی اگر سیستمی دارای نقطۀ آزئوتروپ باشد، شیب ( 5
آزئوتروپ بی نهایت می شود.
باشد.ترتیب افقی، افقی، و متغیر میبه 𝑇𝑥𝑦 ،𝑃𝑥𝑦 ،𝐻𝑥𝑦( شیب خط رابط در نمودارهای 6
تبخیرکنندۀ ناگهانی
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 (1
آید که بخار حاصله در حالت تعادل با مایع باقی مانده می باشد. سپس فازهای بخار می دهند. در نتیجه قسمتی از مایع به حالت بخار درمی
در یک دستگاه جداکننده از یکدیگر جدا می شوند. تقطیر تعادلی هم به شکل ناپیوسته و هم بصورت مداوم قابل استفاده است. شکل و مایع
زیر یک فرآیند تبخیر ناگهانی را نشان می دهد:
تبخیر ناگهانی
در نقطۀ شبنم می باشد. 𝐷در نقطۀ جوش و بخار 𝑊همواره در حال تعادل هستند. مایع 𝐷و بخار 𝑊مایع (2
ای فشار کل یا فشار فشار پس از شیر فشارشکن که کاملًا آدیاباتیک فرض می شود، کمتر از فشار خوراک اولیه است. اگر در مسأله (3
تبخیرکننده مطرح نشده باشد، منظور فشار پس از شیر فشارشکن است.
فرآیند تبخیر ناگهانی 𝒙𝒚نمودار غلظت مربوط به تبخیر ناگهانی –نمودار آنتالپی
در تبخیرکنندۀ ناگهانی خوراک ورودی به برج معمولاً شامل مخلوط بخار و مایع می باشد، ولی می تواند به صورت دیگر نیز باشد. حالات (4
جه به نوع خوراک به صورت زیر می باشد.مختلف خط کار با تو
فرآیند تبخیر ناگهانی برای انواع خوراک
𝐷اگر خوراک ورودی مایع جوش باشد ) = مقدار (،0𝑊
𝐷 نهایت شده و خط کار عمودی می شود.برابر بی
𝑊اگر خوراک ورودی بخار اشباع باشد ) = (، مقدار 0𝑊
𝐷 برابر صفر شده و خط کار افقی می شود.
تقطیر ناگهانی اگر: (5
شود.ترین بخار حاصل میدر دمای جوش خوراک باشد، غنی
شود.ترین مایع حاصل میدر دمای شبنم خوراک باشد، رقیق
وش خوراک و نقطۀ شبنم خوراک خوراک ورودی به برج تقطیر ناگهانی به صورت دوفازی است؛ لذا دمای برج تقطیر ناگهانی بین نقطۀ ج (6
متغیر است.
با افزایش دما در فشار ثابت درون برج تقطیر ناگهانی، غلظت مادۀ فرار در مایع و بخار کاهش می یابد. (2
کند که توسط شیر فشارشکن محقق می شود.تقطیر آنی بر اساس کاهش فشار عمل می (8
تبخیر ناگهانی چندجزئی
توان حالت مخلوط ورودی را مشخص کرد.زیر میبا استفاده از معادلات
∑اگر .1 𝑍𝑖𝑘𝑖𝑛𝑖=1 < مایع متراکم ← 1
∑اگر .2 𝑍𝑖𝑘𝑖𝑛𝑖=1 = مایع اشباع ← 1
∑اگر .3 𝑍𝑖𝑘𝑖𝑛𝑖=1 > ∑و 1
𝑍𝑖
𝑘𝑖
𝑛𝑖=1 > )تبخیر ناگهانی( دوفازی ← 1
∑اگر .4𝑍𝑖
𝑘𝑖
𝑛𝑖=1 = بخار اشباع ← 1
∑اگر .5𝑍𝑖
𝑘𝑖
𝑛𝑖=1 < بخار داغ ← 1
تقطیر دیفرانسیلی یا ساده
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 (1
گویند.نهایی چنین فرآیندی معادل با تقطیر دیفرانسیلی و یا سادۀ آن مایع خواهد بود. تقطیر دیفرانسیلی را تقطیر ناپیوسته هم می
کاهش می یابد. لذا برای ثابت ماندن غلظت محصول مقداری از محصول صولر ناپیوستۀ دیفرانسیلی، با گذشت زمان غلظت محدر تقطی (2
گردانند، در نتیجه با گذشت زمان و برای ثابت ماندن غلظت محصول باید مقدار بیشتری از محصول به ظرف تقطیر را به ظرف تقطیر باز می
بار حرارتی کندانسور با گذشت زمان افزایش می یابد. بازگردانده شود و در نتیجه
تقطیر مداوم )پیوسته(
در شکل زیر نشان داده شده است. ( نمایی از یک برج تقطیر مداوم1
برج تقطیر مداوم
می تواند مایع سرد، تقطیر مداوم در یک برج به صورت موازی و غیرهمسو انجام می شود. خوراک معمولًا وارد مرکز برج می شود. خوراک (2
مایع جوش، بخار اشباع، مخلوط مایع و بخار، و یا بخار داغ باشد؛ ولی معمولًا مایع جوش است.
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، (3
تر می شود.یعی که به سمت پایین در حرکت است جذب می شود. در نتیجه بخار از جزء فرار غنیجزء غیرفرار موجود در بخار توسط ما
( )که ممکن است مایع، بخار، 𝐷𝑖𝑠𝑡𝑖𝑙𝑙𝑎𝑡𝑒بخار خروجی از بالای برج وارد کندانسور می شود که بخشی از آن به عنوان محصول مقطر ) (4
( موسوم است به صورت مایع به برج 𝑅𝑒𝑓𝑙𝑢𝑥می شود. بخش دیگر که به جریان برگشتی ) و یا مخلوط هر دو باشد( از بالای برج گرفته
کنندۀ مایع بالای برج است. مایع برگشتی باعث افزایش خلوص جزء فرار در بالای برج و افزایش هزینه می گردد. جریان برگشتی تأمینبرمی
شود.
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 (5
مایع تحتانی در جوش آور )ریبویلر(، دفع می شود.
حصول تحتانی معروف است.( یا م𝑅𝑒𝑠𝑖𝑑𝑢𝑒مایع خروجی از پایین برج که از سازندۀ غیرفرار غنی است، به نام پسماند ) (6
در ابتدای کار برج تا موقعی که به وضعیت پایدار نرسیدیم، محصول از بالا و پایین برج گرفته نمی شود. (2
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 (8
یرفرار و حداقل دما در بالای برج که مایع غنی از جزء فرار است، می باشد.از جزء غ
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 (.
نیستند.
تعداد مراحل در برج دارد. به طور کلی هرچه بخار و مایع بیشتر شود، میزان خلوص محصولات خروجی بستگی به نسبت مایع به گاز و (10
بازده و خلوص بالاتر می رود؛ ولی باید به منطقۀ عملیاتی مناسب برج هم توجه شود.
نسبت (11𝐿
𝑉وراک ورودی ختری نسبت به مقدار در یک برج تقطیر در تمام طول برج ثابت است؛ زیرا مایع برگشتی به برج مقدار بسیار بزرگ
باشد.دارا می
داریم: (12
+ تعداد جریان جانبی + تعداد خوراک = تعداد منحنی عملیاتی 1
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 (13
شبنم باز می گردد.
ها را بی نهایت می کند.که تعداد سینی است بزرگترین نسبت برگشت بین تمام نسبت برگشت هایی برگشت،ت نسب (14
ترین روش برای جبران عملکرد ریبویلر، بطوری که بازدۀ برج کاهش نیابد، بالا بردن شرایط خوراک ورودی به سطح بالاتری از مناسب (15
انرژی می باشد.
( داشته باشند، برج با دو %20است. در صورتی که دبی بالا و پایین محل ورود خوراک تفاوت زیادی )بیش از قطر برج متناسب با دبی (16
قطر ساخته می شود.
معین، در حالت خوراک سرد خطوط عمیاتی از منحنی تعادلی دورتر بوده و در نتیجه تعداد مراحل کمتری 𝑅ثابت و 𝑥𝐷 ،𝑥𝑊 ،𝑥𝐹در (12
داریم.
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 در (18
حرارتی کندانسور و نیز کاهش میزان دبی محصول بالای برج، مانع از تغییر خلوص محصولات نسبت به حالت اولیه شد.
توسط ریبویلر تا رسیدن به نقطۀ طغیان، سبب خروج بیشتر گازهای سبک از جریان مایع می شود. افزایش شدت جریان بخار تولیدی (.1
ترین ترکیب سنگین بدست می آید.در نتیجه خالص
شود. می تر شدن هزینۀ طراحیمی بایست از اتلاف دما از بدنۀ برج تقطیر جلوگیری کرد، زیرا باعث افزایش بار حرارتی ریبویلر برج و گران (20
های کمتری در برج بهره برد.توان از تعداد سینیلذا با جلوگیری از آن می
های پایین برج تقطیر است؛ چرا که نسبت های بالای برج تقطیر کمتر از سینی( میزان تبادل جرم در سینی21𝐿
𝑉باشد. در پایین برج بیشتر می
کیب در پایین برج نسبت به بالای برج مبین همین مطلب است.-ارتفاع زیاد نمودار پلکانی در روش مک
ساواریت-روش پانچون
.است ساواریت روشی دقیق بر مبنای موازنۀ انرژی است و تنها شرط لازم برای آن عدم اتلاف حرارتی است که معمولاً برقرار-روش پانچون
کندانسور کامل
در این کندانسور مطابق شکل زیر، بخار ورودی به کندانسور کاملاً به مایع تبدیل می شود. (1
کندانسور کامل
برای یک کندانسور کامل به صورت زیر می باشد: 𝐻𝑥𝑦نمودار (2
کندانسور کامل 𝑯𝒙𝒚نمودار
ندانسور کامل با مایع برگشتی سردک
خروجی از بالای برج در کندانسور بیش از حد سرد شود، در این حالت مایع برگشتی و محصول خروجی از بالا دیگر در حالت اگر بخار( 1
اشباع نبوده بلکه مایع سرد می باشند. نمایی از این کندانسور در شکل زیر نشان داده شده است.
کندانسور کامل با مایع برگشتی سرد
سرد مطابق شکل زیر می باشد. برگشتی ایعبرای م 𝐻𝑥𝑦نمودار (2
کندانسور کامل با مایع برگشتی سرد 𝒙𝒚و 𝑯𝒙𝒚 نمودار
در این حالت مایع برگشتی نسبت به حالت اشباع بیشتر و تعداد مراحل کمتر است. (3
کندانسور جزئی
برگشتی به برج است، به مایع تبدیل می شود. نمایی از یک کندانسور در این کندانسور بخشی از بخار خروجی از بالای برج که برابر با مایع ( 1
جزئی در شکل زیر نشان داده شده است.
کندانسور جزئی
مربوط به کندانسور جزئی و همچنین نحوۀ تعیین تعداد مراحل در شکل زیر نشان داده شده است. 𝑥𝑦و 𝐻𝑥𝑦نمودار (2
کندانسور جزئی 𝒙𝒚و 𝑯𝒙𝒚نمودار
نتایج حاصل از بکارگیری کندانسور جزئی عبارت است از: (3
اگر زمان تماس بین محصول بخار و مایع برگشتی کافی باشد، دو فاز به حال تعادل در خواهند آمد. .1
اگر محصول مقطر با همان سرعت تشکیل خارج شود، یک عمل میعان دیفرانسیلی صورت می پذیرد. .2
سیار سریع باشد، انتقال جرم بین بخار و محصول مقطر اندک بوده و ترکیب نسبی هر دو فاز عملًا یکسان خواهد اگر عمل تبرید ب .3
بود.
در شمارش تعداد مراحل به روش ترسیمی کندانسور جزئی اولین مرحله از بالا است. (4
اد جریان برگشتی و بعدی برای تولید محصول مایع است.گاهی اوقات از دو کندانسور به طور متوالی استفاده می شود که اولی برای ایج (5
ها اختلاف بین جریان مولی مایع و بخار ثابت است.مفهوم فیزیکی خط کار، مکان هندسی نقاطی است که در آن (6
تر است.صرفه( بار حرارتی کندانسور جزئی کمتر از کندانسور کامل است. لذا استفاده از کندانسور جزئی مقرون به2
معادلۀ خط کار پایین برج )بخش دفع یا عاری سازی(
بخش دفع 𝒙𝒚و 𝑯𝒙𝒚نمودار
دستیابی به محل ورود خوراک
مربوط به برج تقطیر 𝒙𝒚و 𝑯𝒙𝒚نمودار
محل برخورد منحنی های عمل بالا و پایین برج، محل ورود خوراک را مشخص می کند. (1
فرق می کند. محل خوراک با توجه به نوع خوراک در نمودار زیر نشان داده شده 𝐻𝑥𝑦در منحنی 𝐹با توجه به نوع خوراک، محل نقطۀ (2
است.
موقعیت خوراک در حالت های مختلف
خوراک به حالت مایع را از بالای سینی خوراک و به حالت بخار را از زیر سینی خوراک وارد برج می کنیم. (3
ا بخار ر و 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 (4
م. ولی معمولاً به دلیل به صرفه نبودن اقتصادی این کار صورت نمی گیرد. چنین کاری فقط اثر ناچیزی بر تعداد از زیر سینی خوراک وارد کنی
سینی ها دارد.
اگر خوراک در جایی غیر از نقطۀ بهینه وارد شود، تعداد سینی های موردنیاز افزایش می یابد. (5
باشد.سازی می( سینی خوراک جزء بخش دفع یا عاری6
افزایش نسبت جریان برگشتی
همواره بر 𝑊∆، و 𝐷 ،𝐹∆بیشتری می شود، نظر به اینکه ′𝑄دارای عرض و یا مقدار 𝐷∆با افزایش نسبت جریان برگشتی نقطۀ تفاضل (1
می گردد. این تغییرات منجر به افزایش 𝑊∆روی یک خط مستقیم قرار دارند، افزایش نسبت جریان برگشتی، سبب پایین آمدن محل نقطۀ 𝐿𝑛
𝐺𝑛+1و کاهش مقدار
�̅�𝑚
�̅�𝑚+1به قطر مربع می شود. به این علت تعداد سینی های 𝑥𝑦تر شدن خطوط عامل در نمودار و در نتیجه نزدیک
آور و انتقال حرارت در کندانسور و جوش افزایش می یابد. همچنین سطوح �̅�، و 𝑄𝐶 ،𝑄𝐵 ،𝐿 ،�̅� ،𝐺موردنیاز کمتر می گردد ولی مقادیر
تر شوند.سطح مقطع برج به منظور پذیرش بار بیشتر باید بزرگ
تعداد مراحل کم می شود. 𝑅زیاد خواهد شد و با افزایش 𝑅کم می شود. در نتیجه 𝐷زیاد و 𝐿اگر مقدار مایع روی سینی زیاد شود، (2
ن شود و اینهایت میها در نزدیکی مکان ورود خوراک بیکند، تعداد سینیایع برگشتی کار می( در حالتی که برج با کمترین میزان م3
دهندۀ این است که انتقال جرم صفر است.نشان
جریان برگشتی کامل )حداقل تعداد مراحل(
نهایت شود، داریم: برابر بی 𝑅اگر نسبت جریان برگشتی (1𝐿𝑛
𝐺𝑛+1=
�̅�𝑚
�̅�𝑚+1= 𝑥𝑦. در نتیجه هر دو منحنی عامل، بر قطر مربع نمودار 1
𝑁𝑚نهایت واقع خواهند شد. در نتیجه تعداد سینی های لازم به حداقل ممکن، در فواصل بی 𝐻𝑥𝑦بر روی نمودار ∆منطبق گردیده و نقاط
می رسد. این مورد در شکل زیر نشان داده شده است.
در حالت جریان برگشتی کامل 𝑯𝒙𝒚 و 𝒙𝒚نمودار
حداقل نسبت جریان برگشتی )حداکثر تعداد سینی ها(
در واقع حداکثر نسبتی است که در صورت به کار بردن آن، تعداد سینی های لازم جهت انجام یک 𝑅𝑚حداقل نسبت جریان برگشتی (1
ا کاهش یافته و تعدادی از سینی های پست سر هم در برج، جداسازی مشخص به بی نهایت می رسد. به این علت اختلاف دما بین سینی ه
آور و کندانسور در حداقل ممکن قرار دارند.دمای یکسانی خواهند داشت. در این حالت بار حرارتی جوش
یگر محل بر راستای خط رابط عبوری از خوراک منطبق شود یا به عبارتی د 𝐹∆𝐷∆𝑊نهایت می شود که خط تعداد سینی ها زمانی بی (2
دارای 𝑥𝑦قرار گیرد. این مطلب در مواردی که منحنی تعادلی بر روی محورهای 𝑥𝑦تقاطع خط عمل بالا و پایین برج روی منحنی تعادل
تقعر به سمت پایین باشد، همواره صادق است.
ت این پدیده حداقل شدن نسبت جریان اند. علهای پشت سر هم میان برج، حرارت یکسان داشتهدر یک برج تقطیر، تعدادی از سینی (3
برگشتی برج می باشد.
حداقل نسبت جریان برگشتی در حالتی رخ می دهد که خوراک ورودی سردتر از نقطۀ جوش خود باشد. (4
)با کاهش نسبت جریان برگشتی، شیب خط عملیاتی (5𝑅
𝑅−1)کاهش و عرض از مبدأ آن (
𝑥𝐷
𝑅+1ات به افزایش یافته و در نتیجه خط عملی (
منحنی تعادلی نزدیک شده و تعداد مراحل افزایش می یابد.
نمی شود. نمونه 𝑅𝑚و در نهایت 𝐷𝑚𝑖𝑛∆منجر به 𝐹همان طوری که در شکل زیر نشان داده شده، همواره رسم خط رابط عبوری از ( 6
هایی از این مورد عبارتند از:
جوشی دارند.تمایل به ایجاد هممخلوط هایی با انحراف مثبت از حالت کامل که .1
تمام سیستم هایی که شرایط آن ها به شرایط بحرانی سازندۀ فرار نزدیک است. .2
برخی از مخلوط ها با انحراف منفی از حالت کامل .3
در موارد خاص حداقل نسبت جریان برگشتی 𝑯𝒙𝒚نمودار
دهد.لت روش محاسباتی جواب درستی نمیدر این حاهمچنین بیشتر است.دست آمده به روش معمولی هب 𝑅𝑚واقعی از 𝑅𝑚در این حالت
بهترین نسبت جریان برگشتی
نحوۀ تعیین بهترین نسبت جریان برگشتی
، تعداد سینی ها و در نتیجه هزینۀ ثابت بی نهایت می شود اما هزینۀ عملیاتی )بار حرارتی جوش آور، کندانسور، دبی آب 𝑅𝑚در حالت (1
و توان پمپ جریان برگشتی( حداقل می باشد.سرد،
تعداد سینی ها به سرعت کاهش، ولی قطر برج به علت ازیاد مقادیر مایع برگشتی و بخار به ازای واحد جرم خوراک، افزایش 𝑅با افزایش (2
تر می شوند. بنابراین هزینۀ ثابت ابتدا به حداقل رسیده و سپس افزایش آور نیز بزرگمی یابد. به علاوه کندانسور، پمپ جریان برگشتی و جوش
نهایت می رسد. نیازهای حرارتی و برودتی تقریبًا به طور مستقیم با نسبت جریان برگشتی افزایش یان برگشتی کامل به بیمی یابد و در جر
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
( و به طور متوسط نزدیک به حد پایین اتفاق می 1.5𝑅 تا 1.2𝑅𝑚اغلب در نسبت جریان برگشتی نزدیک به ) دهد، عبور می کند. این حالت
افتد.
آورهاانباره های جریان برگشتی، کندانسورها، و جوش
مایع در آن ها در حدود و زمان ماندگاری 5تا 4انباره های جریان برگشتی معمولاً مخازنی افقی هستند که نسبت طول به قطر آن ها بین (1
دقیقه است. 5
ای هستند که به شکل افقی و گاهی عمودی قرار می گیرند. کندانسورها را ممکن است در بالای برج کندانسورها مبدل های حرارتی لوله (2
زدیک سطح زمین قرار می قرار دهند تا جریان برگشتی در اثر نیروی ثقل جاری شود، ولی معمولًا به علت سهولت ساخت و تمیز کردن ن
دهند.
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 (3
میعان سریعاً صورت پذیرد، ولی هزینۀ برج با افزایش فشار، افزایش می یابد.
در موردی که محصول مقطر بسیار فرار باشد، باید از یک سیال مبرد در دمای پایین استفاده نمود. اگر محصول مقطر در کندانسور تا (4
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
کنند.
آورها ، مبدل های حرارتی هستند که جهت انتقال گرما و تولید بخار در انتهای برج های تقطیر بکار می روند. انواع مختلف جوشآورهاجوش (5
در شکل زیر نشان داده شده است.
انواع جوش آورها
بخار لازم است، از مبدل هایاندکی از در برج های تقطیر کوچک که در مقیاس نیمه صنعتی ساخته می شوند، با توجه به آن که ظرفیت (6
حرارتی داخل و در انتهای برج استفاده می شود. این مبدل های حرارتی بخاری را وارد سینی انتهایی برج می کنند که عملاً در حال تعادل
آور می باشد.با محصول پسماند است، لذا آخرین واحد بخش غنی سازی در محاسبات، نشانگر جوش
آورها در بیرون از برج استفاده می شود.های تقطیر بزرگ از انواع جوشدر برج (2
تر است که آن را به عنوان یک واحد تعادلی در نظر نگیریم.آور مورد استفاده از نوع سیفون حرارتی باشد، مطمئناگر جوش (8
سوز استفاده نمود.وختدر مورد سیالات با دمای جوش بالا، به جای مبدل حرارتی می توان از یک کورۀ س (.
استفاده از بخار مستقیم
وده و از آور نباگر در فرآیند تقطیر یک سیستم دوجزئی، جزء غیرفرارتر آب باشد )مانند آب و آمونیاک(، دیگر نیازی به استفاده از جوش (1
تبدیل آب به بخار در ریبولر یک هزینۀ اضافی در بخار مستقیم در پایین برج استفاده می شود. زیرا در واحد عملیاتی بخار آب موجود بوده و
بر دارد.
در یک نسبت جریان برگشتی و ترکیب نسبی معین محصول مقطر، استفاده از بخار مستقیم سبب افزایش تعداد سینی های لازم در برج (2
تر بوده و هزینۀ تمیز کردن ندارد.آور ارزانمی شود ولی نسبت به استفاده از جوش
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 اگر (3
همراه خود تبخیر می کند؛ لذا دبی بخار در سینی های پایین برج بیشتر از دبی بخار ورودی خواهد شد.
دار در صورتی که خوراک یکسان و ترکیب محصول مقطر و نسبت جریان برگشتی قطیر سینیاستفاده از بخار آب و حذف ریبویلر در برج ت (4
ها خواهد شد.یکسان باشد، باعث افزایش تعداد سینی
سازی ستقیم تأثیری در محاسبات بخش غنیقسمت پایین برج در این حالت در شکل زیر نشان داده شده، از آن جایی که استفاده از بخار م (5
رد، این بخش در شکل نشان داده نشده ولی این عمل روی موازنه های کلی مواد و آنتالپی اثر دارد.برج ندا
کاربرد بخار مستقیم
در یک راستا هستند. )شکل زیر مربوط به 𝑊∆، و 𝑊، و �̅�𝑁𝑃+1نقاط 𝐻𝑥𝑦همان طور که در نمودار زیر نشان داده شده، در نمودار (6
(منطبق می شود. 𝑀بر �̅�𝑁𝑃+1استفاده از بخار داغ می باشد. اگر از بخار اشباع استفاده شود،
در حالت استفاده از بخار مستقیم 𝑯𝒙𝒚 و 𝒙𝒚نمودار
تقطیر با چند خوراک
است.ی با دو خوراک ورودی در شکل زیر نشان داده شده متسیس (1
تقطیر با دو خوراک ورودی
خواهیم 𝐹1 و 𝐹2که مطابق معمول برای بالا و پایین برج داریم، یک نقطۀ تفاضل بین 𝐷∆ و 𝑊∆در این سیستم، علاوه بر نقاط تفاضل (2
می نامیم. 𝑀∆داشت که آن را
𝐷∆در یک راستا هستند که 𝑀∆، و 𝑊 ،𝐹2∆و همچنین 𝑀∆، و 𝐻𝑥𝑦 ،𝐹1 ،∆𝐷همان طوری که در شکل زیر نشان داده شده، در نمودار (3
قرار دارند. 𝑊∆و 𝑀∆بین 𝐹2، و 𝐹1و 𝑀∆بین
در حالت دو خوراک ورودی 𝑯𝒙𝒚 و 𝒙𝒚نمودار
به ازای اضافه شدن هر خوراک به تعداد خطوط عمل یکی اضافه می شود. (4
برج با جریان جانبی
محصولاتی با ترکیب نسبی بینابین می باشند که از سینی های میانی برج گرفته می شوند. جریان های جانبی اغلب جریان های جانبی ( 1
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
ن جانبی معمولًا به صورت مایع جوش است اما در مقیاس پایلوت به صورت بخار نیز می تواند باشد.یا پسماند با خوراک بدست آورد. جریا
که مطابق معمول برای بالا و پایین برج داریم، 𝐷∆و 𝑊∆اگر سیستمی مطابق شکل زیر دارای جریان جانبی باشد، علاوه بر نقاط تفاضل (2
می نامیم. 𝑀∆که آن را خواهیم داشت 𝐹1و 𝑆یک نقطۀ تفاضل هم بین
برج با جریان جانبی
در یک راستا هستند. 𝑊∆، و 𝑀 ،𝐹∆و همچنین نقاط 𝑀∆، و 𝐷،𝑆∆نقاط 𝐻𝑥𝑦در نمودار (3
به ازای اضافه شدن هر جریان جانبی به تعداد مراحل خطوط عمل یکی اضافه می شود. (4
اتلاف حرارتی
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 (1
مواد عایق نیز دارای ضریب هدایت حرارتی معینی می باشند.
ین کندانسور، تعداد سینی های لازم جهت عمل اتلاف حرارتی سبب افزایش جریان برگشتی داخلی برج شده و در یک بار حرارتی مع (2
.دجداسازی موردنظر کاهش می یابد. اما جوش آور نه تنها باید حرارتی گرفته شده در کندانسور را بلکه اتلاف حرارتی را نیز باید جبران کن
انجام یک جداسازی مشخص کاهش برای یک بار حرارتی معین در جوش آور در صورت حذف اتلاف حرارتی، تعداد سینی های لازم جهت (3
می یابد. به همین دلیل برج ها را به دقت عایق کاری می کنند.
تیل –روش مک کیب
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 (1
ساواریت می دهد. –پانچون
تیل باستثنای مواردی که اتلاف حرارتی و یا گرماهای انحلال زیاد باشند، بسیار مناسب است. –روش مک کیب (2
استفاده می کنیم. فرضیات این روش عبارتند از: 𝑥𝑦در این روش از دیاگرام (3
.)بالا با هم، پایین با هم( دبی مولی فازها در مقاطع مختلف درون برج ثابت است .1
ایی مولی اجزاء برابر فرض می شود.گرمای نه .2
گرمای انحلال )اختلاط( ناچیز فرض می شود. .3
افت حرارتی وجود ندارد. .4
فشار کل در برج ثابت است. .5
دستیابی به معادلۀ خط عمل بالای برج، کندانسور کامل، جریان برگشتی در دمای نقطۀ حباب
مربوط به بالای برج 𝒙𝒚نمودار بخش غنی سازی
دستیابی به معادلۀ خط عمل پایین برج
مربوط به پایین برج 𝒙𝒚نمودار بخش غنی سازی
اگر بخار خروجی از جوش آور در تعادل با محصول پسماند باشد، اولین پله در ترسیمات پلکانی مبین جوش آور است.
تیل –دستیابی به تعداد مراحل به روش مک کیب
اگر غلظت مادۀ فرارتر در محصول پسماند و مقطر به ترتیب بسیار کم و بسیار زیاد باشد، روش ترسیمی تعداد مراحل را در مقیاس (1
لگاریتمی انجام می دهیم.
توان به در کلیۀ غلظت ها تقریباً ثابت است، روش محاسبات تحلیلی اسموکر را در تمام برج می 𝛼در بسیاری از محلول های کامل که (2
کار برد.
با توجه به اینکه حتی در سیستم هایی که فرضیات مک کیب صدق نمی کند، شیب خطوط عامل در شرایط حدی تقریبًا ثابت است، می (3
توان در این شرایط از معادلات کرمسر استفاده نمود.
ن از قانون رائول و هنری استفاده کرد.اگر محصول بالایی و پایینی تقریباً خالص باشند، در دو انتهای منحنی می توا (4
دستیابی به معادلۀ خط خوراک
کاهش می یابد. 𝑞برای یک خوراک معین، با افزایش فشار، (1
𝑧𝐹)خط خوراک را می توان با استفاده از دو نقطۀ (2 , 𝑧𝐹) .و محل تلاقی خط عمل بالا و پایین برج نیز بدست آورد
ل ورود خوراک در برج باید برابر باشد، اگر خوراک به صورت مایع سرد باشد، محل ورود آن باید دمایی دمای خوراک ورودی با دمای مح (3
الت حکمتر 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
خوراک وارد برج شود. برای خوراک به صورت بخار داغ، مشابه توضیحات فوق، خوراک باید در محلی ورود خوراک باید در محلی بالاتر از نقطۀ
پایین تر وارد شود.
و شیب خط خوراک برای انواع خوراک آورده شده است. 𝑞در جدول زیر مقادیر مختلف (4𝒒
𝒒 − 𝟏 𝒒 آنتالپی خوراک𝑯𝑭 خوراک
𝑞
𝑞 − 1> 1 𝑞 > 1 𝐻𝐹 < 𝐻𝐿 سردمایع
𝑞
𝑞 − 1= ∞ 𝑞 = 1 𝐻𝐹 = 𝐻𝐿 مایع جوش
𝑞
𝑞 − 1< 0 0 < 𝑞 < 1 𝐻𝐿 < 𝐻𝐹 < 𝐻𝐺 مخلوط مایع و بخار
𝑞
𝑞 − 1= 0 𝑞 = 0 𝐻𝐹 = 𝐻𝐺 بخار اشباع
0 <𝑞
𝑞 − 1< 1 𝑞 < 0 𝐻𝐹 > 𝐻𝐺 بخار داغ
𝐻𝐺در جدول بالا، به ترتیب آنتالپی مایع و بخار اشباع می باشند. 𝐻𝐿 و
برابر با کسری از خوراک که به صورت مایع اشباع است، می باشد. 𝑞برای خوراک به صورت مایع جوش، مخلوط مایع و بخار و بخار اشباع، (5
در شکل زیر خط خوراک برای انواع خوراک آورده شده است.
خط خوراک برای انواع خوراک ورودی
ترین محصول در اگر هدف دستیابی به خالص مایع و مابقی بخار می باشد. %0.بهترین حالت خوراک ورودی به صورت دو فازی شامل (6
صورت مایع اشباع وارد برج شود.بالای برج باشد، خوراک باید به
تری باشد. بنابراین تعداد مراحل کماشباع می ( در حالت خوراک سرد، فاصلۀ خطوط عملیاتی از منحنی تعادلی بیشتر از حالت خوراک مایع2
�̅�نسبت به حالت مایع اشباع دارد. قطر ستون هم وابسته به دبی بخار است و در حالت مایع سرد، > 𝐺 است؛ لذا قطر ستون در قسمت
شود.تر میدفع بیش
های موردنیاز دارد.تأثیر را روی تعداد سینی کنیم؛ زیرا کمترین( در حالت خوراک دوفازی، خوراک را بدون جداسازی وارد برج می8
حداقل نسبت جریان برگشتی )حداکثر تعداد سینی ها(
را رسم می کنیم تا منحنی تعادلی را قطع کند. 𝑞مطابق شکل زیر خط (1
𝑹𝒎نحوۀ تعیین
𝑧𝐷)از نقطۀ , 𝑧𝐷) به محل تلاقی خط𝑞 با منحنی تعادلی وصل کرده و ادامه می دهیم تا محور𝑦 ها را در نقطۀ𝑧𝐷
𝑅𝑚+1قطع کند. با توجه
بدست می آید. 𝑅𝑚به مختصات این نقطه
و منحنی تعادلی قطع 𝑞ممکن است خطوط عملیاتی بالا و پایین، منحنی تعادلی را مطابق شکل زیر، قبل از رسیدن به محل تلاقی خط (2
𝑧𝐷)در این حالت رسم خطوط مماس بر منحنی تعادلی از نقطۀ د.نمای , 𝑧𝐷) و یا(𝑧𝑊, 𝑧𝑊) مقدار واقعی𝑅𝑚 را می دهند که از𝑅𝑚
بدست آمده از روش معمولی بیشتر می باشد.
𝑹𝒎موارد خاص تعیین
استفاده از بخار مستقیم
استفاده از بخار مستقیم
بخار، خط عمل پایین برج تغییر می کند:با توجه به نوع (1
در حالت استفاده از بخار مستقیم داغ 𝒙𝒚نمودار در حالت استفاده از بخار مستقیم اشباع 𝒙𝒚نمودار
شده باشد و این مخلوط بسیار رقیق باشد، یعنی قسمت دلیل استفاده از بخار مستقیم: زمانی که مخلوط از آب و مادۀ دیگری تشکیل ( 2
اعظم آن آب باشد و مادۀ فرار آب باشد.
خط عمل پایین برای حالات مختلف به طور خلاصه به صورت زیر می باشد:( 3
بار ریبویلر .1
بخار ورودی از پایین بخار داغ –بدون ریبویلر .2
بخار ورودی از پایین بخار اشباع –بدون ریبویلر .3
خط عمل پایین برج در حالت های مختلف
شود.آید، از بخار مستقیم استفاده میناپذیر با آب که در دماهای بالا به جوش می( در تقطیر یک مخلوط امتزاج4
خوراک دوتقطیر با
برای سیستمی با دو خوراک، مطابق شکل زیر سه منطقۀ عملیاتی و دو خط خوراک داریم. (1
ورودیبرج با دو خوراک
برای برج با دو خوراک به صورت کیفی در شکل زیر نشان داده شده است. 𝑥𝑦نمودار (2
در حالت استفاده از دو خوراک ورودی 𝒙𝒚نمودار
برج با جریان جانبی
باشند.مطابق معمول میبالا و پایین برج برای سیستمی با جریان جانبی مطابق شکل زیر، سه منطقۀ عملیاتی داریم. معادلات خطوط عمل (1
برج با جریان جانبی
ن، هرجا شیب خط عملیاتی کاهش یابد، نشانۀ آن است که جریان جانبی داریم.یاگر چند خط عمیاتی داشته باشیم، از بالای برج به پای (2
𝑛خط عملیاتی داشته باشیم، 𝑛اگر (3 − خوراک یا جریان جانبی داریم. 1
با جریان جانبی به صورت کیفی در شکل زیر نشان داده شده است. برای برج 𝑥𝑦نمودار (4
در حالت وجود جریان جانبی 𝒙𝒚نمودار
مطابق شکل فوق وجود جریان جانبی باعث نزدیک شدن خطوط عمل به منحنی تعادلی و در نتیجه افزایش تعداد مراحل می شود.
جوشتقطیر هم
این فرآیند یک حالت خاص از تقطیر چندجزئی است که جهت تفکیک برخی از مخلوط های دوجزئی که امکان جداسازی آن ها با تقطیر ( 1
معمولی مشکل و یا غیرممکن است بکار می رود.
ردن مستلزم به کار باگر فراریت نسبی یک مخلوط دوجزئی بسیار کم باشد، تقطیر مداوم مخلوط جهت تهیۀ محصولات تقریبًا خالص، ( 2
جوش نسبت جریان برگشتی بالا، بار حرارتی زیاد، و نیز سطح مقطع بزرگ و تعداد سینی های فراوان است. در موارد دیگر، تشکیل مخلوط هم
طی، یک سازندۀ دیگر که گاهی دوجزئی، تهیۀ محصولات خالص به روش تقطیر معمولی را امکان پذیر می سازد. در تحت چنین شرای
جوش جدیدی با دمای جوش پایین با یکی از سازندگان اصلی تشکیل کننده نامیده می شود به مخلوط دوجزئی می افزایند تا مخلوط همارجخ
جوش جدید چنان است که جدا شدن آن از سازندۀ اصلی دیگر به آسانی امکان پذیر می باشد.دهند. فراریت نسبی هم
اسید است که هزینۀ تفکیک آن به روش های ساده، به علت پایین بودن فراریت نسبی سازندگان یک مثال آن جداسازی آب و استیک (3
جوش با دمای جوش پایین با یکی از علیرغم تفاوت قابل ملاحظه در نقاط جوش آن ها، بسیار زیاد است. مادۀ افزودنی باید یک مخلوط هم
ن کمتر است، تشکیل دهد تا بار حرارتی موردنیاز در تحول کاهش یابد. سازندگان مخلوط دوجزئی، ترجیحاً سازنده ای که مقدار آ
جوش جدید باید زیاد باشد و نیز مقدار ناچیزی از مادۀ خارج کننده در محصول پسماند به جای بماند. مخلوط ضریب فراریت مخلوط هم( 4
میزان تبخیر در تقطیر کاهش یابد و نیز ترجیحاً از نوع مایع جوش جدید باید ترجیحاً فاقد مقدار قابل توجهی از خارج کننده باشد تاهم
ناهمگون باشد تا بازیابی خارج کننده تسهیل یابد.
جوش انتخاب مادۀ خارج کننده می باشد.مهمترین عامل در تقطیر هم (5
∗𝑦جوشی جوشی ماکزیمم، قبل از نقطۀ همدر تقطیر یک مخلوط دوتایی با هم (6 < 𝑥 و بعد از آن𝑦∗ > 𝑥 .می باشد
تقطیر استخراجی
جوش است؛ با این تفاوت که به یک مخلوط دوجزئی که جداسازی آن با روش های معمولی ر همیاین نوع تقطیر، از نظر اصول مشابه تقط (1
و عمل را تغییر دادهمشکل و یا غیرممکن است، یک سازندۀ سوم که حلال نامیده می شود می افزایند که فراریت های نسبی سازندگان اصلی
جداسازی را امکان پذیر می سازد.
تقطیر استخراجی وقتی استفاده می شود که تقطیر معمولی برای سیستم دوجزئی موردنظر به دلیل ضریب فراریت پایین، نیاز به برجی (2
قطور و بلند باشد.
قابل توجهی نیز در برج تقطیر تبخیر نشود.البته حلال افزوده شده باید فراریت ناچیزی داشته باشد و به میزان ( 3
.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 (4
جوش است؛ زیرا:تر از تقطیر هممعمولاً تقطیر استخراجی مطلوب( 5
جوش نیست.فرآیند وابسته به تشکیل اتفاقی مخلوط همافزودنی وجود دارد؛ زیرا این دۀ انتخاب بیشتری برای ما .1
معمولاً تبخیر حلال کمتر است. .2
جوش، دارای نقاط ضعف زیر می باشند:جداسازی با تقطیر استخراجی و هم( 6
چون امکان حذف کامل حلال و یا خارج کننده وجود ندارد، سبب اضافه شدن ناخالصی می شود. .1
برابر خوراک باشد، معمولاً اتلاف وجود دارد. 4تا 3چون نسبت مادۀ افزودنی باید .2
مخزن جداگانه ای برای مادۀ افزودنی باید ساخته شود. .3
هزینۀ بازیابی حلال ممکن است زیاد باشد. .4
ر تولید محصول از آن ها کمتر از تقطی بنابراین چنین فرآیندهایی تنها موقعی مدنظر قرار می گیرند که علیرغم نقاط ضعف موجود، هزینۀ( 2
معمولی باشد.
تقطیر در فشار پایین
ر یبسیاری 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 تقط
شد. همچنین زمان قرار گرفتن این مواد در معرض حرارت هم باید به حداقل از یکدیگر جدا نمود، لازم است که فشار و دمای فرآیند پایین با
برسد تا از میزان تجزیۀ حرارتی آن ها کاسته شود.
تقطیر مولکولی
نیوتن به مترمربع( است که جهت جداسازی مواد 3تا 0.3تقطیر مولکولی یک نوع تقطیر در فشار بسیار پایین )در فشارهای مطلق حدود
برابر گرما مناسب می باشد. همزدن شدید و یا جوشش که در فرآیندهای معمولی تقطیر مشاهده می شود، در تقطیر مولکولی حساس در
وجود ندارد.
مایع –فصل دوم عملیات واحد: استخراج مایع
مقدمه
مایع که به آن استخراج با حلال هم گفته می شود، یک فرآیند جداسازی غیرمستقیم و گاهی مستقیم است که در آن –استخراج مایع ( 1
اجزاء یک محلول مایع بوسیلۀ تماس با یک مایع نامحلول دیگر جدا می شوند. معمولاً پس از عمل استخراج، یک عملیات جداسازی دیگر
ر وجود دارد.مانند مجاورسازی، جذب گاز، و یا تقطی
مایع، اختلاف در خواص شیمیایی است. –اساس جداسازی در استخراج مایع (2
مایع عبارتند از: –موارد استفاده از عمل استخراج مایع (3
در مواردی که جداسازی توسط عملیات تقطیر به سختی انجام می شود، استخراج توسط یک حلال مناسب و سپس عمل تقطیر .1
عنوان مثال جداسازی اسید استیک از آب.هنسبی مواد می شود. ب منجر به جداسازی
در مواردی که برای جلوگیری از تجزیۀ حرارتی مواد به دمای کمتر نیاز داریم، استخراج می تواند جایگزین خوبی برای تقطیر یا .2
عنوان مثال در صنایع غذایی و داروسازی.هتبخیر باشد. ب
مایع نسبت به سایر عملیات های جداسازی –محصول موردنظر، قیمت نسبی فرآیند استخراج مایع در مواردی که با توجه به خلوص .3
کمتر باشد.
مایع، واکنشی صورت نمی گیرد و در نتیجه محصول جانبی نیز بدست نمی آید، این –با توجه به اینکه در روش استخراج مایع .4
فرآیند جایگزین مناسبی برای روش های شیمیایی می باشد. مانند جداسازی فلزات از محلول های رقیق و فرآیندهای تولید انرژی
اتمی.
ک به یک( مانند جداسازی فرآورده های نفتی.که فشار بخار اجزاء به هم نزدیک باشد )ضریب فراریت نزدی یدر موارد .5
در مواردی که آزئوتروپ وجود دارد. مانند مخلوط اتانول و آب. .6
در سیستم هایی که مجبوریم تحت فشار خلاء کار کنیم. .7
ای عملیاتیتر صورت می گیرد؛ چون نوع و مقدار حلال و همچنین دمدر عمل استخراج نسبت به تقطیر، انتخاب شرایط عملیاتی آسان (4
قابل تغییر است.
تر است.در مورد حلال های رقیق، وقتی آب باید در عمل تقطیر جدا شود، عمل استخراج اقتصادی (5
نده و کندر شرایط کاملًا یکسان، بین دو عمل استخراج و تقطیر، معمولًا تقطیر انتخاب می شود. هر چند که نیاز به سیستم های گرم (6
تر زیرا در استخراج، حلال را برای استفادۀ مجدد )معمولاً از طریق تقطیر( باید بازیابی کرد و تلفیق این دو عملیات پیچیده سردکننده می باشد؛
تر از تقطیر معمولی است.و گران
مناسب تر و آسان تر 𝐴 و 𝐵مایع برای جداسازی –با ویسکوزیتۀ زیاد داشته باشیم، روش استخراج مایع 𝐴 و 𝐵اگر یک مخلوط مایع ( 2
می باشد.
الاضلاعمختصات مثلث متساوی
مختصات مثلث متساوی الاضلاع
نشان دهندۀ درصد 𝐴𝐵بر ضلع 𝐾هر یک از سه رأس نشان دهندۀ یکی از مواد به صورت خالص است. فاصلۀ عمودی از هر نقطه مثل ( 1
𝐶 در مخلوط𝐾 و فاصله تا ضلع𝐴𝐶 درصد𝐵 و فاصله تا ضلع𝐵𝐶 درصد𝐴 .را نشان می دهد
یک مخلوط دوتایی شامل 𝐷هر نقطه که روی اضلاع مثلث قرار داشته باشد، نشان دهندۀ یک مخلوط دوتایی است. به عنوان مثال نقطۀ ( 2
80% 𝐴 20و% 𝐵 .است
گانۀ مایع با حلالیت جزئی یک زوجسیستم های سه
( و 𝐵(، آب )𝐴اصلی ترین حالت های سیستم های استخراج است. یک نمونه از این سیستم ها، سیستم بنزن )این نوع سیستم یکی از ( 1
( است.𝐶اسید استیک )
به طور کامل 𝐶( مشاهده می شود که مایع 𝑎این مختصات در حالت دما ثابت )ایزوترم( استفاده می شود. با توجه به شکل زیر قسمت )( 2
به مقدار محدودی در هم حل می شوند. ناحیۀ زیر منحنی، منطقۀ دوفازی و مابقی منطقۀ تک فازی 𝐴 و 𝐵حل می شوند، ولی 𝐴 و 𝐵در
که زیر منحنی قرار داشته باشد به دو 𝑀تایی مثل می باشند. هر مخلوط سه 𝐴 و 𝐵به ترتیب محلول های اشباع غنی از 𝐿 و 𝐾است. نقاط
( تبدیل می شود.𝐵)غنی از 𝐸( و 𝐴)غنی از 𝑅شباع، با ترکیب درصد تعادلی فاز مایع نامحلول ا
سیستم سه گانۀ مایع با حلالیت جزئی یک زوج
که کل مخلوط را نشان می 𝑀( نامیده می شود که بایستی از نقطۀ 𝑇𝑖𝑒 𝑙𝑖𝑛𝑒خط اتصال بین ترکیب درصدهای تعادلی، خط رابط ) (3
اد نامحدودی خط رابط در ناحیۀ دوفازی وجود دارد که تنها تعدادی از آن ها رسم شده اند. این خطوط اغلب موازی هم دهد، عبور کند. تعد
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
ط رابط تغییر می کند و یکی از خطوط رابط افقی می شود.شوند، جهت تغییرات ضریب زاویۀ خطو
به هم 𝐴 و 𝐵های حلالیت فازهای غنی از خط رابط است. در این نقطه منحنی شود، آخرین( نامیده می𝑃𝑙𝑎𝑖𝑡که پلیت ) 𝑃نقطۀ (4
منطبق 𝐶در هر دو فاز یکسان است. این نقطه در منحنی حلالیت به ندرت بر ماکزیمم مقدار 𝐶مقدار 𝑃عبارت دیگر در نقطۀ رسند. بهمی
شود.می
𝑥برابری (5 = 𝑦 .همیشه به معنای نقطۀ پلیت نیست، بلکه ممکن است شیب خطوط رابط تغییر یافته باشند
کسر (6𝑦∗
𝑥 ت.تر از یک اس، ضریب توزیع نامیده می شود که در این حالت بزرگ
( حاصل می شود. 𝑏در دو انتهای خطوط رابط را برحسب هم رسم کنیم، منحنی توزیع مطابق شکل بالا قسمت ) 𝐶اگر مقدار غلظت (2
بهتر انجام می شود. 𝐵در فاز غنی از 𝐶است و گفته می شود که پخش شدن 𝑅بیشتر از مقدار آن در 𝐸در محلول 𝐶مطابق شکل درصد
، ترکیب دو فاز استخراج شده و پسماند یکی است.در نقطۀ پلیت( 8
مایع، در نقطۀ پلیت، مقدار کشش بین سطحی حلال و خوراک به صفر تنزل می کند. –در عملیات استخراج مایع ( .
تر از یک باشد، ای، ضریب توزیع در دو فاز حلال و خوراک در حالت تعادل می تواند کوچکمایع تک مرحله –در عمل استخراج مایع ( 10
تر از یک شود.مشروط بر آنکه ضریب جداسازی بزرگ
بط تغییر علامت گفته می شود که در آن شیب خطوط را 𝑆𝑜𝑙𝑢𝑡𝑟𝑜𝑝𝑖𝑐مایع به کمک حلال مایع، به حلالی –در عملیات استخراج مایع ( 11
دهد و در آن یک خط رابط افقی )با شیب صفر( موجود باشد.
در صورتی که اندازۀ قطرات و اختلاف دانسیتۀ مایعات زیاد و ویسکوزیتۀ فاز پیوسته کم باشد، سرعت جداسازی زیاد می شود.( 12
درصد دست یافت. 100می توان به جداسازی اگر غلظت جزء جدا شونده در حلال صفر باشد و مقدار حلال بی نهایت باشد، ( 13
𝑃زمانی که به ( 14 = 𝐵برسیم، به این معنا است که مقدار حلال خروجی به صفر رسیده است ) 0 = زدایی شده ( و محلول کاملًا حلال0
است.
𝑦( علاوه بر آنکه در نقطۀ پلیت، 15 = 𝑥 های سولتروپیک هم در هنگام تغییر شیب خطوط رابط، است؛ در سیستم𝑦 = 𝑥 است. لذا با
𝑦برابری = 𝑥توان گفت که در نقطۀ پلیت قرار داریم.طور قطع نمی، به
مم در یباشد. در ضمن نقطۀ پلیت لزومًا نقطۀ ماکز( در نقطۀ پلیت غلظت جزء اصلی در کل دستگاه استخراج یکنواخت و یکسان می16
باشد.منحنی دوفازی نمی
اثر درجۀ حرارت و فشار
، دمای 𝑡4افزایش یافته و در دمای بالا 𝐴 و 𝐵همان طوری که در شکل زیر نشان داده شده، با افزایش درجۀ حرارت، حلالیت دوتایی (1
بحرانی محلول، کاملًا در هم حل می شوند.
اثر درجه حرارت روی تعادل سه تایی
تر شده و امکان تغییر ضریب زاویۀ خطوط رابط هم وجود دارد.مطابق شکل بالا، با افزایش دما، ناحیۀ دوفازی کوچک (2
قدر کم است که معمولًا از آن صرفنظر می شود. بنابراین تمام نمودارها باید به استثنای فشارهای خیلی بالا، اثر فشار روی تعادل مایع آن (3
طوری که فاز بخار ظاهر نشود و تعادل مایع به هم نخورد، رسم شوند. در فشارهای بالا، به
مایع، معمولاً ناحیۀ دوفازی با افزایش دما کاهش و با افزایش فشار بی تغییر می ماند. –در عملیات استخراج مایع (4
با حلالیت جزئی دو زوج –گانۀ مایع سیستم های سه
به طور کامل در هم محلولند، در 𝐴 و 𝐶در شکل زیر مختصات مثلثی نمونه ای از این نوع سیستم ها آورده شده است. در این سیستم ( 1
𝐴حالی که زوج های − 𝐵 و𝐵 − 𝐶 دارای حلالیت محدود هستند. نقاط𝐾 و 𝐽 نشان دهندۀ حلالیت های دوتایی𝐵 و 𝐴 و نقاط𝐻 و 𝐿
هستند. 𝐵 و 𝐶یی برای حلالیت دوتا
(، منحنی های حلالیت سه جزئی هستند و محلول های خارج از محدودۀ مشخص شده 𝐵)غنی از 𝐽𝐸𝐿( و 𝐴)غنی از 𝐾𝑅𝐻منحنی (2
توسط این منحنی ها، محلول تک فازی می باشد.
𝑨سیستم سه مایع − 𝑩 و𝑩 − 𝑪 به طور جزئی قابل استخراج
بر این نوع سیستم ها در شکل زیر آورده شده است. اثر افزایش درجۀ حرارت (3
اثر درجه حرارت روی منحنی تعادل سه تایی
(𝑩نسبت به غلظت 𝑪مختصات قائم )غلظت
در مختصات مثلث متساوی الاضلاع مقیاس ها لزوماً مشابه هستند و برای آن که یک مقیاس غلظت را نسبت به دیگری افزایش دهیم، از
همان طور که در شکل زیر نشان داده شده، 𝐵را نسبت به غلظت های 𝐶مختصات قائم استفاده می کنیم. برای این کار می توان غلظت های
رسم نمود.
صات قائممخت
(𝒀و 𝑿برحسب 𝑵مختصات قائم )
نوع دیگر سیستم مختصات قائم در شکل زیر نشان داده شده است.( 1
مختصات قائم براساس بودن حلال، برای سیستم های دارای دو زوج مایع با حلالیت جزئی
این نمودار برای سیستم هایی با حلالیت جزئی دو زوج رسم می شود. (2
مؤثر در انتخاب حلالپارامترهای
نامحلول بودن حلال: .1
ر تصرفه تر است و استفاده از عمل استخراج مقرون بهتر باشد، محدودۀ عمل استخراج بیشهر چه ناحیۀ دوفازی در نمودار استخراج وسیع
تر است، مفیدتر خواهد بود.، که نامحلول𝑎با توجه به شکل زیر واضح است که حلال است.
حلالیت حلال در استخراجاثر
قابلیت بازیابی: .2
بازیابی حلال توسط عمل جداسازی دیگری مانند تقطیر انجام می گیرد. اگر از عمل تقطیر استفاده شود، حل شوندۀ استخراج شده نباید با
از حرارت، باید آن جزئی که کمتر حلال ایجاد آزئوتروپ نماید و مخلوط باید فراریت زیادی داشته باشد. برای کم کردن هزینه های استفاده
است، دارای فراریت بیشتری باشد. اگر حلال باید تبخیر شود، گرمای نهان تبخیر آن باید کم باشد.
دانسیته: .3
تفاوت دانسیته بین فازهای مایع اشباع، هم در سیستم مرحله ای و هم در سیستم مداوم، برای جداسازی شرط مهمی است و هرچه این
کاهش می یابد و در نقطۀ پلیت صفر می شود. این 𝐶اختلاف دانسیته فازهای در حال تعادل، با افزایش غلظت بیشتر باشد، بهتر است.تفاوت
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.
کشش بین سطوح: .4
ذرات امولسیون بیشتر و پراکندگی یک مایع در دیگری مشکل تر می شود. به هم پیوستن هر چقدر کشش بین سطحی بیشتر باشد، پیوستگی
کشش بین سطحی در فازهای تعادلی، در نقطۀ پلیت ذرات معمولاً از اهمیت بیشتری برخوردار است، در نتیجه کشش سطحی باید زیاد باشد.
مایع نامناسب است؛ چون جدا شدن فازها به سختی انجام –تخراج مایع استفاده از حلال با کشش سطحی کم در فرآیند اس به صفر می رسد.
می گیرد.
فعالیت شیمیایی: .5
حلال باید از نظر شیمیایی پایدار باشد و نسبت به دیگر اجزاء سیستم و مواد سازندۀ دستگاه خنثی باشد.
ویسکوزیته، فشار بخار، و نقطۀ انجماد: .6
انبار کردن باید کم باشند.این کمیت ها برای راحتی حمل و نقل و
طبیعت حلال: .7
حلال باید غیرسمی، غیر قابل اشتعال، و ارزان باشد.
پایداری امولسیون: .8
ه کچون در هر مرحله فازها باید جدا شوند، پایداری امولسیون یکی از مهمترین مسائل استخراج است. باید از امولسیون پایدار یعنی آن هایی
می کنند، پرهیز کرد.در مدت زمان زیادی رسوب
ایمایع تک مرحله-استخراج مایع عملیاتی واحد
ای در شکل زیر آورده شده است.نمودارهای فازی مربوط به سیستم استخراج تک مرحله
استخراج تک مرحله ای
استخراج تک مرحله ای )مختصات بدون حلال(
درجه را 45عمودی می شود. در این حالت خط کار در شکل بالا خط 𝐹𝑆نهایت خواهد بود و برای آن بی 𝑁اگر حلال خالص باشد، مقدار
قطع می کند. 𝑋𝐹در
ای با جریان متقاطعچندمرحلهمایع -مایعاستخراج واحد عملیاتی
جاور می شود. این عمل می تواند مداوم و یا ای است، که در آن پسماند دوباره با حلال تازه ماین روش تعمیمی از استخراج تک مرحله( 1
ای است.غیرمداوم باشد. شکل زیر نمایانگر استخراج سه مرحله
استخراج با جریان متقاطع
در یک غلظت مشخص از جریان پسماند، هرچه تعداد مراحل بیشتر باشد، کل حلال مصرفی کمتر خواهد شد.( 2
خواهیم داشت:اگر حلال و خوراک نامحلول باشند، ( 3
استخراج با جریان های متقاطع با حلال نامحلول در فاز پسماند
مایع به روش تماس با جریان های متقاطع، هرچه تعداد مراحل تعادلی بیشتر شود، مقدار کمتری از حلال –در عملیات استخراج مایع ( 4
موردنیاز می باشد.
ای مداوم با جریان های ناهمسوچندمرحله مایع-مایع استخراجواحد عملیاتی
𝑅𝑁𝑃نمایی از این عملیات در شکل زیر رسم شده است. در این عملیات، دو محصول نهایی که یکی جریان پسماند )( 1( و دیگری جریان
( است، حاصل می شود.𝐸1استخراج شده )
ای با جریان ناهمسواستخراج چندمرحله
با جریان ناهمسوای استخراج چندمرحله
در صورتی که مقدار جداسازی ثابت باشد، این روش با حلال مساوی، تعداد مراحل کمتری )نسبت به روش های متقاطع و همسو( دارد و ( 2
در صورت ثابت بودن مراحل، مقدار حلال کمتری مصرف می شود.
بر یک خط رابط منطبق شود، تعداد مراحل موردنیاز برای رسیدن به این حالت بی نهایت می 𝑅∆در صورتی که یکی از خطوط عبوری از (3
شود.
برای دستیابی به مقدار حداقل حلال به صورت زیر عمل می کنیم:( 4
𝑆𝑅𝑁𝑃را رسم می کنیم و با 𝐹خط رابط عبوری از 𝑅𝑚𝑖𝑛∆تلاقی می دهیم تا نقطۀ
با 𝐹بدست آید. محل تلاقی خط رابط عبوری از
𝑅𝑁𝑃را می دهد. از تقاطع 𝐸1𝑚𝑖𝑛منحنی تعادلی، 𝐸1𝑚𝑖𝑛 و𝐹𝑆 نقطۀ ،𝑀𝑚𝑖𝑛 .حاصل می شود
مقدار حداقل حلال
𝐹 مقدار=
𝐹𝑀𝑚𝑖𝑛̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅
𝑆𝑀𝑚𝑖𝑛̅̅ ̅̅ ̅̅ ̅̅
مینیمم حلال را نمی دهد.مقدار 𝐹در صورتی که خطوط رابط تغییر شیب دهند، رسم خط رابط عبوری از (5
تر است )اگر در سمت نزدیک 𝑆دورتر است )اگر در سمت چپ منحنی باشد( یا نقطه ای که به 𝑆مطابق شکل زیر نقطۀ تقاطعی که از ( 6
راست باشد(، نقطۀ تفاضل متناظر با حلال مینیمم را مشخص می کند.
ناهمسومقدار مینیمم حلال برای استخراج با جریان های
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 ( 2
نسبت به پسماند دارای حل شوندۀ بیشتری می باشد. در نتیجه می توان با مقدار متوسطی حلال، حل شونده را استخراج نمود. اگر شیب
بط منفی باشد، باز عمل استخراج امکان پذیر است، اما مقدار حلال بیشتری )چون فاز استخراج شده غنی از حل شونده نیست( خطوط را
تر است.لازم است. در نتیجه شیب مثبت مناسب
اییاین اطلاعات ضروری است: شدت و ترکیب خوراک، شدت و ترکیب حلال، غلظت محلول استخراج شدۀ نه 𝑅∆برای داشتن ( 8
مقدار توان باباشد. در نتیجه میشوندۀ بیشتری می( اگر شیب خطوط رابط مثبت باشد، فاز استخراج شده نسبت به پسماند دارای حل.
پذیر است؛ اما مقدار حلال شونده را استخراج نمود. اگر شیب خطوط رابط منفی باشد، باز هم عمل استخراج امکانمتوسطی حلال، حل
تر است.در نتیجه شیب مثبت مناسب شونده نیست،ت چرا که فاز استخراج شده غنی از حلبیشتری لازم اس
ها دارای شیب مثبت و برخی دارای شیب منفی هستند، بنابراین ممکن است Tie Lineهای سولوتروپیک، به علت آنکه برخی از ( در محلول10
𝑆𝑅𝑁𝑝ها با امتداد Tie Lineمحل تلاقی این در سمت چپ یا در سمت راست دیاگرام مثلثی واقع شود.
از طرفی با توجه به این قاعدۀ کلی:
𝑁ترین مقدار حلالی است که حداقل حلال، بزرگ» = «بکند ∞
𝑆𝑅𝑁𝑝ها امتداد Tie Lineاگر است و اگر این تلاقی در سمت راست 𝑅𝑚𝑖𝑛∆را در سمت چپ دیاگرام مثلثی قطع نمایند، دورترین محل تلاقی
های سولوتروپیک به علت آنکه هر دو امکان تلاقی در سمت چپ یا راست دیاگرام است. در محلول 𝑅𝑚𝑖𝑛∆ترین محل تلاقی قرار گیرد، نزدیک
دار حلال مصرفی بیشتری شود؛ هر کدام مقترین تلاقی در سمت راست مقایسه میوجود دارد، لذا دورترین تلاقی در سمت چپ با نزدیک
است. 𝑅𝑚𝑖𝑛∆داشت،
دستگاه های استخراج
فاز نزدیک به یکدیگر است، برای اختلاط است اما در استخراج، چون چگالی دودر جذب و تقطیر عمل اختلاط و جداسازی آسان و سریع (1
و جداسازی انرژی کمی در دسترس است.
گرانروی هر دو فاز در عمل استخراج نسبتاً بالا و سرعت خطی دستگاه پایین است. در نتیجه انرژی لازم برای اختلاط و جداسازی به روش (2
مکانیکی تأمین می شود.
از است، وردنیدستگاه های استخراج به صورت پیوسته یا ناپیوسته کار می کنند. وقتی که کمیت های موجود زیاد و مراحل متعدد تماس م (3
جریان پیوسته مقرون به صرفه خواهد بود.
حصول پسماند تر از متر یا سنگینبیشتر دستگاه های استخراج پیوسته هستند. با توجه به اینکه محصول استخراج شده ممکن است سبک (4
باشد، محصول استخراج را از قسمت فوقانی و یا تحتانی دستگاه خارج می کنند.
مایع با استفاده از غشاهای متخلخل نیز انجام می شود. این روش در جداسازی های مشکل کاربرد دارد. –یع استخراج ما (5
مایع که در آن فاز سنگین از بالای برج به صورت فاز پخش شده به داخل فاز سبک و پیوسته می ریزد، –در یک دستگاه استخراج مایع ( 6
د فاز پخش شده به داخل برج صورت می پذیرد.بیشترین قسمت انتقال جرم در ابتدای ورو
های حجمی آن وابسته است.های استخراج، انتخاب فاز پراکنده و پیوسته به شدت جریان( در طراحی دستگاه2
های استخراجانواع دستگاه
:(Mixer - Settlerته نشین کننده ) –مخلوط کننده ( 1
کار می رود و دومهکننده که برای تماس و در نتیجه افزایش انتقال جرم بین دو فاز باین دستگاه شامل دو قسمت است: یکی مخلوط ( 1
تر است.آل نزدیکاین دستگاه به شرایط ایده نشین کننده که برای جداسازی مکانیکی به کار می رود.ته
مخلوط کننده ها دو نوع هستند: (2
مداوم کاربرد دارند و انتقال جرم خیلی ضعیفی دارند.مخلوط کننده های جریانی یا خطی: تنها برای عملیات .1
مخازن همزن دار: همزن ها معمولاً از نوع تیغۀ پهن توربینی هستند. معمولاً مایعی که دارای شدت جریان حجمی کمتری باشد، در .2
دیگری پراکنده می شود.
ازده خواهد شد. بازگشت مایعی که حل شونده در آن بیشتر بازگشت مقداری از مایعات ته نشین شده به مخلوط کننده، موجب افزایش ب (3
حل می شود، بازدۀ مرحله را افزایش، در حالی که بازگشت دیگری یا هر دو، بازده را کاهش می دهد.
حالت هته نشین کننده، اغلب یک دکانتور ساده است که به طور پیوسته و تحت نیروی جاذبه کار می کند. در مایعاتی که به راحتی ب( 4
امولسیون تبدیل می شوند و چگالی آن ها تقریبًا یکسان است، گاهی اوقات لازم است تا خروجی مخلوط کننده را از صفحه ای از جنس
کی سفایبرگلاس عبور دهند تا ته نشینی در اثر نیروی جاذبه به خوبی انجام گیرد. برای جداسازی های دشوارتر از دستگاه های گریز از مرکز دی
تفاده می شود.اس
ته نشین کننده هستند که بدون داشتن لوله های واسطه طراحی –استخراج کننده های جعبه ای نوعی از دستگاه های مخلوط کننده (5
شده اند.
6 )Mixer-Settler از فرض دارای تلاطم و سرعت انتقال جرم بالایی است و همچنین زمان اقامت در آن زیاد می باشد، در نتیجه می توان
تعادل بین فازها به خوبی استفاده کرد.
برای رسیدن به تعادل فازی، قابل کنترل است. Mixer-Settlerدستگاه ( 2
باشد.فاز ویسکوز مناسب می 2های حاوی کننده، برای استخراج محلولدلیل وجود مخلوطبه Mixer-Settler( دستگاه 8
شود که تعداد مراحل واقعی مشخص باشد.زمانی استفاده می Mixer-Settler( از .
:برج های دارای سینی مشبک( 2
این برج ها هم در ظرفیت عملکرد مایعات و هم در بازدۀ استخراج خیلی مؤثر هستند و معمولاً برای سیستم هایی به کار می روند که ( 1
ها لازم نیست.کشش بین سطحی کمی دارند و نیروی زیادی برای هم زدن آن
انتقال جرم در این ستون ها خیلی خوب است؛ زیرا:( 2
اختلاط محوری فاز پیوسته بین سینی ها محدود می شود و از مرحله ای به مرحلۀ دیگر ادامه نمی یابد. .1
به صورت قطرات فاز پخش شده که در هر مرحله حاصل می شوند، تجمع یافته و تمایل به ایجاد گرادیان غلظت داخل قطره ها .2
یکسان در طول ستون را از بین می برند.
در این برج ها معمولاً مایع سبک، فاز پراکنده را تشکیل می دهد. (3
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 (4
یی استخراج می شود. ظرفیت جریان برج های سینی دار مشبک به خصوصیات تشکیل قطره، سرعت حد تغییر می کنند، باعث افزایش کارا
قطره، ماندگی فاز پخش شده، و اختلاف فشار بستگی دارد.
مایع که به صورت برجی شکل با سینی های سوراخ دار ساخته شده اند، حداکثر انتقال جرم در موقع تشکیل –در واحدهای استخراج مایع ( 5
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 نسبتاً زیاد است.
مایع با تبادل انرژی همراه باشد، بین سینی ها اختلاف درجه حرارت وجود خواهد داشت. –اگر عمل انتقال جرم در برج استخراج مایع ( 6
است. %20مایع از نوع سینی دار، ماندگی فاز پخش شده در بین سینی ها کمتر از –در یک برج استخراج مایع ( 2
شود که کشش بین سطحی کم باشد.فاده میدار زمانی استهای سینی( از برج8
:برج های پاششی( 3
ساده ترین نوع دستگاه با تماس دیفرانسیلی می باشد. این دستگاه بدترین حالت از نظر تشکیل پدیدۀ اختلاط محوری است، به طوری که ( 1
ستفاده از این دستگاه ها توصیه نمی شود.به سختی می توان بیشتر از معادل یک مرحلۀ تئوری از آن ها بدست آورد. به این علت ا
در این دستگاه انتخاب فاز پراکنده بستگی به شدت جریان، گرانروی، و خصوصیات مرطوب کنندگی دو فاز دارد. (2
به منظور ایجاد سطح مشترک بیشتر، فاز دارای شدت جریان بیشتر را پراکنده می کنند. اما اگر اختلاف گرانروی بالا باشد، فاز دارای (3
گرانروی بیشتر را برای افزیش سرعت ته نشینی پراکنده می کنند.
راف از تعادل، نیروی محرکۀ انتقال جرم را فراهم می در اینجا مایع هر سطحی که داشته باشد، تعادل برقرار نمی شود، چون همین انح (4
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.
یل می شوند، بیشتر است، چون در این جا تشکوسته در منطقه ای که قطرات در آندر برج های پاششی واقعی، تماس بین قطره ها و فاز پی
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.
:برج های آکنده )پرشده(( 4
تفاده از پرکن در برج های آکنده باعث کاهش اختلاط محوری و همچنین تغییر شکل قطرات فاز پخش شده می گردد. این عوامل باعث اس( 1
بهبود عملکرد این برج ها نسبت به برج های پاششی می شود.
وردگی مشکل خ هرگونهاخت که تقریباً و آن ها را می توان به شکلی س آکنده به برج های پاششی نزدیک هستنداز نظر سادگی برج های ( 2
و یا فشار را با هزینۀ مناسب برطرف کرد. عیب عمدۀ این دستگاه پدیدۀ مجراسازی است.
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 (3
سته ثابت نگه داشته شود و شدت جریان فاز دیگر افزایش یابد، به نقطه ای می رسیم که قطره های فاز پراکنده شده فاز پراکنده شده یا پیو
ا ر 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
مشترک فازها، اختلاف چگالی ی. سرعت طغیان در برج های آکنده به گرانروی و چگالی فاز پیوسته، کشش سطحطغیان )غرقابی( می نامند
فازها، مساحت ویژۀ پرکن و تخلخل بستگی دارد.
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 ( 4
یستم 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 س
استفاده شود.
مایع لازم است از تشکیل شرایط غرقابی پرهیز گردد. به عنوان مثال؛ قطرات فاز ناپیوسته به یکدیگر –در واحدهای آکنده استخراج مایع ( 5
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.