تقطیر یکی از مطمئن ترین و مقرون به صرفه ترین روش های جداسازی شیمیایی است و یک مرحله مهم یا "عملیات واحد" در طیف وسیعی از فرآیندهای صنعتی است. Thermal Kinetic سیستم های تقطیر "مدولار" و "محصولی" را ارائه می دهد که از بسیاری از صنایع پشتیبانی می کند، از جمله:
تقطیر یک جداسازی است فرآیندهایی که شامل انتقال حرارت و جرم هستند. در حالی که روش های زیادی برای جداسازی ترکیبات شیمیایی وجود دارد، ثابت شده است که تقطیر قابل اعتمادترین و مقرون به صرفه ترین طرح برای بسیاری از کاربردها است.
قبل از تحقیق در مورد با توجه به ویژگی های فرآیند تقطیر و ملاحظات طراحی، ابتدا مهم است که تفاوت بین فرآیندهای جداسازی تک مرحله ای و چند مرحله ای به طور کلی مشخص شود.
یک مرحله جداسازی به عنوان تبخیر یا به طور خاص تر تعریف می شود، اما به طور معمول نیست. "تقطیر فلش" نامیده می شود. در این فرآیند یک جزء فرار از محلول با حرارت دادن و در نتیجه جوشاندن محلول حذف می شود. جزء فرارتر موجود در محلول تبخیر می شود و از فرآیند حذف می شود.
تبخیر با اثر چندگانه چندین مرحله از تبخیر را در فرآیند جداسازی اعمال می کند. در تبخیر اثر چندگانه، فرآیند توسط طراحی فرآیند متوالی محدود می شود. تقطیر از همان اصل چند مرحله ای در مراحل مخالف استفاده می کند تا فرآیند کارآمدتری را برای به حداقل رساندن ضایعات سیستم امکان پذیر سازد.
در ابتدایی ترین تعریف، تقطیر عبارت است از جداسازی اجزا در محلول بر اساس نوسانات نسبی آنها برای انجام فرآیند تقطیر، مایع و بخار در یک آرایش ضد جریان در یک ستون عمودی برهم کنش می کنند.
ترکیباتی که با تقطیر از هم جدا می شوند با فرارشان مشخص می شوند که به فشار بخار ماده شیمیایی مربوط می شود. مواد شیمیایی دماهای جوش متفاوتی را در فشارهای مختلف نشان می دهند. به عنوان مثال، آب در 212 درجه فارنهایت در فشار اتمسفر یا 14.7 psia می جوشد. در 1.94 psia، در 125 درجه فارنهایت می جوشد. در این مثال، فشار بخار آب 14.7 psia در 212 درجه فارنهایت و 1.94 psia در 125 درجه فارنهایت است. اتانول، به عنوان مثال دیگر، دارای فشار بخار 32.5 psia در 212 درجه فارنهایت و 4.55 psia در 125 درجه فارنهایت است. از آنجایی که فشار بخار (VP) اتانول بالاتر از آب است، فرارتر است.
فرارت نسبی و ضرایب فعالیت پارامترهای کلیدی مورد استفاده در طراحی فرآیند تقطیر هستند. از آنجایی که اکثر سیستم های تقطیر شامل اجزای متعدد هستند، ماتریس معادلات بسیار بزرگ می شود. نوسانات نسبی معیاری برای مقایسه فشار بخار اجزای یک سیستم است. ضریب فعالیت عاملی است که در محاسبات برای محاسبه انحراف از رفتار ایده آل استفاده می شود.
طراحی تقطیر یک کار بسیار پیچیده است که با استفاده از مدل ها ساده تر می شود. شبیه سازی ها و معادلات مهندسان طراح این ابزارها را با دقت انتخاب می کنند تا به آنها کمک کنند تا همه متغیرهای دخیل در طراحی یک سیستم را حساب کنند.
در سال 1925 توسعه یافت و هنوز استفاده می شود. امروزه نمودار McCabe-Thiele جداسازی اجزا را در یک سیستم باینری ارزیابی می کند. این نمودار x-y برخی از متغیرها را برای ارائه یک ارزیابی سریع و سطح بالا از یک تقطیر ساده بر اساس داده های بخار/مایع تعادل (VLE) ساده می کند. این روش گرافیکی در حالی که در ارائه نمایش بصری فرآیند تقطیر مفید است، به تجزیه و تحلیل دو متغیر محدود می شود.
برای سیستم های تقطیر پیچیده تر با سه جزء یا بیشتر، کامپیوتر در فرآیند طراحی از نرم افزار شبیه سازی مبتنی بر استفاده می شود. دو برند محبوب نرم افزار Aspen و ChemCad هستند. برنامه های نرم افزاری به طراحان این امکان را می دهند که یک مدل VLE مناسب را برای مخلوط انتخاب کنند و پیش بینی های دقیق و محاسبات مرحله تقطیر ایجاد کنند.
سیستم های پیچیده تر نیز ممکن است به آزمایش آزمایشی برای اعتبارسنجی طراحی نهایی نیاز داشته باشند. سینتیک حرارتی می تواند به توسعه تجهیزات آزمایشی آزمایشی منحصر به فرد برای یک سیستم آزمایشی خاص کمک کند. این آزمایش های آزمایشی داده های ارزشمندی را برای تجزیه و تحلیل آماری و توسعه یک مدل شبیه سازی قوی تر فراهم می کنند. این راه حل های سفارشی برای سیستم های پیچیده تر بسیار ارزشمند هستند که در غیر این صورت اعتبارسنجی آنها دشوار است.
صرف نظر از مدل های خاص مورد استفاده، فرآیند کلی طراحی از یک روش استاندارد پیروی می کند. مراحل کلی به شرح زیر است:
استفاده از روش های محاسبه دستی در مواردی که مهندس موظف به انجام وظایف زیر است: تجزیه و تحلیل هزینه سیستم، ارزیابی کلی متغیرهای عملیاتی، جداسازی ها توجیه می شود. با الزامات خلوص درشت، طرح هایی برای سیستم های ایده آل و نزدیک به ایده آل.
برعکس، یک رویکرد طراحی دقیق برای چندین موقعیت استفاده می شود:
سینتیک حرارتی اغلب استفاده از آزمایش آزمایشی را در موقعیت های مختلف توصیه می کند، به ویژه زمانی که یک طرح دارای ریسک عملکردی باشد.
هنگامی که مهندس بر روی یک طراحی اولیه سیستم مستقر شد، باید پارامترهای عملیاتی حیاتی تجهیزات را تجزیه و تحلیل کند، از جمله:
به طور کلی، کاهش فشار عملیاتی ستون، جداسازی را با بهبود نوسانات نسبی تسهیل می کند. با این حال، عوامل دیگری باید هنگام کاهش فشار ستون در نظر گرفته شوند، مانند دمای دیگ بخار و کندانسور.
برای اهداف طراحی، اغلب فرض می شود که فشار در پایین یک هنوز هم همان فشار در بالا است. این چنین نیست، زیرا هیچ جریان بخاری وجود ندارد مگر اینکه گرادیان فشار وجود داشته باشد. به طور خلاصه، تغییرات در VLE باید برای هر مرحله تعادل ارزیابی شود. استفاده از نرم افزار شبیه سازی امروزی از این موضوع جلوگیری می کند، زیرا مدل سازی دقیق کاملاً دقیق است و به راحتی گرادیان فشار را در طراحی ستون ارزیابی می کند.
در یک ستون خلاء، افت فشار ممکن است کسر بزرگی از فشار مطلق باشد. در چنین مواردی، نوسانات نسبی می تواند از کندانسور تا بویلر به طور قابل ملاحظه ای متفاوت باشد.
همه فروشندگان سینی و بسته بندی می توانند ارقام افت فشار ثابت را به عنوان بخشی از یک بسته محاسباتی ارائه دهند.صرفه جویی در انرژی در هنگام طراحی تجهیزات تقطیر یک نکته مهم است. برخی از اقدامات صرفه جویی در مصرف انرژی عبارتند از: