Utafiti huu unachunguza kama koloni za kunereka zilizoboreshwa kiuchumi kwa mbinu za intensification zinaweza kuendeshwa kwa vitendo wakati mtiririko wa kimiminika na mvuke unapolinganishwa na mipaka halisi ya majimaji ya vifaa vya ndani vya koloni. Urejeshaji wa asidi ya lactic umechaguliwa kama mchakato wa mfano; chaguo tatu — mlolongo wa kawaida wa kunereka tendaji, usanidi wenye muunganisho wa joto kwa sehemu, na koloni tendaji yenye ukuta wa kugawanya — zimeundwa katika Aspen Plus katika hali thabiti. Mipaka ya majimaji ilipozingatiwa, gharama ya jumla ya mwaka iliongezeka kwa asilimia 37,8 katika usanidi wa kawaida, asilimia 45,3 katika usanidi wenye muunganisho wa joto kwa sehemu, na asilimia 8,4 katika koloni tendaji yenye ukuta wa kugawanya. Hata hivyo, koloni tendaji yenye ukuta wa kugawanya iliendelea kutoa gharama ya chini zaidi ya jumla ya mwaka na utoaji wa chini zaidi wa dioksidi kaboni hata baada ya marekebisho ya majimaji. Utafiti huu ni preprint ya uigaji ambayo haijapitiwa na wenzao; hauwasilishi uthibitishaji wa majaribio, wa kiwango cha majaribio ya pilot au wa uendeshaji wa viwandani.

Katika miundo mingi ya awali iliyopatikana kwa uboreshaji wa kiuchumi, zilibainika entrainment ya kimiminika, weeping, mzigo usiotosha wa kimiminika kwenye tray au kuvukwa kwa mipaka ya flooding. Ili kuondoa matatizo haya, vigezo kama uwiano wa reflux, hatua ya feed, kipenyo cha koloni, urefu wa weir na mzigo wa joto wa reboiler vilibadilishwa. Miundo inayoweza kutekelezeka kimajimaji ilihitaji nishati na gharama kubwa zaidi za vifaa; hivyo ilionyeshwa kuwa suluhisho la kihisabati linalopunguza tu nishati au gharama ya jumla ya mwaka halimaanishi moja kwa moja kuwa koloni hiyo inaweza kuendeshwa kwa vitendo.

Baada ya marekebisho ya majimaji, gharama ya jumla ya mwaka ya koloni tendaji yenye ukuta wa kugawanya ilihesabiwa kuwa dola za Marekani elfu 990,59/mwaka. Thamani hii ni takribani asilimia 31 chini ya gharama ya usanidi wenye muunganisho wa joto kwa sehemu na takribani asilimia 35 chini ya usanidi wa kawaida. Katika usanidi huohuo, uzalishaji wa asidi ya lactic uliripotiwa kuwa 357,56 kg/saa, kiwango cha urejeshaji asilimia 94,96 na utoaji wa dioksidi kaboni 449,37 kg/saa.

Swali kuu la utafiti ni lipi?

Swali kuu la utafiti ni kama michakato ya kunereka yenye intensification iliyoboreshwa kwa kutumia malengo ya kiuchumi kama gharama ya jumla ya mwaka inaweza kufanya kazi kwa uthabiti kwa kuzingatia mtiririko halisi wa kimiminika na mvuke ndani ya koloni. Muundo unaweza kuonyesha matumizi madogo ya nishati na gharama ndogo ya vifaa; lakini ikiwa kimiminika hakikusanyiki vya kutosha kwenye tray, mvuke unabeba kimiminika kwenda hatua za juu, au koloni inazidi kikomo cha flooding, faida hiyo ya kiuchumi haiwezi kupatikana katika uendeshaji halisi.

Utafiti unatafuta hasa majibu ya maswali haya:

• Je, usanidi tatu za urejeshaji wa asidi ya lactic zilizoboreshwa kiuchumi zinaweza kutekelezeka kimajimaji?
• Ni vigezo gani vya uendeshaji na muundo vinapaswa kubadilishwa ili kuondoa matatizo ya majimaji?
• Marekebisho haya yanabadilishaje gharama ya uendeshaji, gharama ya mtaji, gharama ya jumla ya mwaka na utoaji wa dioksidi kaboni?
• Baada ya kufanikisha uwezekano wa kimajimaji, ni usanidi upi wa kunereka ulioboreshwa unaobaki kuwa chaguo lenye faida zaidi?

Kwa nini utafiti ni muhimu?

Kunereka ni mchakato wa utenganishaji wenye mahitaji makubwa ya kupasha na kupoza. Mbinu za process intensification zinalenga kupunguza mzigo huu kwa kutumia vifaa vichache au ujumuishaji bora wa nishati. Kunereka tendaji, koloni zenye ukuta wa kugawanya na koloni zilizounganishwa kwa joto ni miongoni mwa chaguo kuu zilizotengenezwa kwa lengo hilo.

Hata hivyo, uboreshaji wa mchakato hauishii kwenye mizani ya wingi na nishati pekee. Tray au maeneo yaliyojazwa packing katika koloni lazima yaweze kubeba kimwili mtiririko uliokokotolewa wa kimiminika na mvuke. Ikiwa kipenyo cha koloni, mashimo ya tray, urefu wa weir, eneo la downcomer na uwezo wa packing havifai, mawasiliano kati ya awamu yanaweza kuvurugika. Hali hii huathiri moja kwa moja ufanisi wa utenganishaji, usafi wa bidhaa, udhibiti na uendeshaji endelevu.

Ni pengo gani la fasihi lililolengwa?

Kulingana na utafiti, tathmini ya uboreshaji wa kiuchumi na miundo ya udhibiti ni ya kawaida katika michakato ya kunereka yenye intensification, lakini ujumuishaji wa wazi wa majimaji ya koloni ndani ya uboreshaji wa muundo ni mdogo zaidi. Watafiti wanasisitiza kuwa akiba ya kinadharia ya nishati na gharama inaweza kutekelezwa tu ikiwa koloni inafanya kazi katika eneo thabiti la majimaji.

Utafiti huu umejenga upya miundo mitatu tofauti ya urejeshaji wa asidi ya lactic iliyochapishwa hapo awali na kutathmini matokeo ya kiuchumi pamoja na uwezekano wa majimaji. Kwa njia hii, pengo kati ya uboreshaji wa kimawazo wa mchakato na upangaji halisi wa ukubwa wa koloni linawekwa wazi.

Urejeshaji wa asidi ya lactic uliundwaje?

Mchakato wa mfano unatokana na urejeshaji wa asidi ya lactic kutoka mkondo wa maji uliodilutiwa. Badala ya kunereka asidi ya lactic moja kwa moja, kwanza huesterishwa na methanol kuwa methyl lactate. Uwezo wa methyl lactate kutenganishwa kwa urahisi zaidi kwa joto huruhusu kuitenganisha na maji na vipengele vingine kwa kunereka. Baadaye methyl lactate huhidrolizwa ili kupata tena asidi ya lactic.

Amberlyst 15 ion-exchange resin imetumika kama kichocheo katika mchakato. Sifa za thermodynamics zimekokotolewa kwa modeli ya UNIQUAC-HOC. Modeli hii ilichaguliwa kuwakilisha tabia isiyo ideal katika awamu ya kimiminika na dimerization ya asidi za kikaboni katika awamu ya mvuke. Vigezo vya mwingiliano wa binary ambavyo havikuwepo katika hifadhidata ya Aspen Plus vilikadiriwa kwa mbinu ya UNIFAC.

Usanidi tatu za mchakato zilizolinganishwa

Tathmini ya kiuchumi ilifanywaje?

Lengo la kiuchumi lilifafanuliwa kama gharama ya jumla ya mwaka (Total Annual Cost, TAC):

\[ TAC = \frac{TCC}{Payback} + TOC \]

• TAC: Gharama ya jumla ya mwaka, kUS$/mwaka,
• TCC: Gharama ya jumla ya mtaji kwa koloni, heat exchangers na vifaa vingine, kUS$,
• TOC: Gharama ya uendeshaji ya mwaka inayohusiana na steam, cooling na utilities nyingine za mchakato, kUS$/mwaka,
• Payback: Kipindi cha kurejesha mtaji; kimechukuliwa kuwa miaka mitatu katika utafiti.

Kitengo kUS$ hapa kinamaanisha dola za Marekani elfu. TAC si uamuzi wa kina wa uwekezaji, bali ni kiashirio cha awali cha techno-economic kinachotumiwa kulinganisha miundo tofauti katika msingi mmoja wa kiuchumi.

Mmenyuko na milinganyo ya kinetics

Esterification ya asidi ya lactic

\[ \mathrm{C_3H_6O_3\ (LAc) + CH_3OH\ (MeOH) \rightleftharpoons C_4H_8O_3\ (MetLac) + H_2O} \]

\[ r = m_{cat}\left(k_D^{R1}a_{LAc}a_{MeOH}-k_R^{R1}a_{MetLac}a_{H_2O}\right) \]

Hatua ya kwanza ya esterification ya asidi ya succinic

\[ \mathrm{C_4H_6O_4\ (SUc) + CH_3OH\ (MeOH) \rightleftharpoons C_5H_8O_4\ (MMS) + H_2O} \]

\[ r = m_{cat}\left(k_D^{R2}x_{SUc}x_{MeOH}-k_R^{R2}x_{MMS}x_{H_2O}\right) \]

Hatua ya pili ya esterification ya asidi ya succinic

\[ \mathrm{C_5H_8O_4\ (MMS) + CH_3OH\ (MeOH) \rightleftharpoons C_6H_{10}O_4\ (DMS) + H_2O} \]

\[ r = m_{cat}\left(k_D^{R3}x_{MMS}x_{MeOH}-k_R^{R3}x_{DMS}x_{H_2O}\right) \]

Dimerization ya asidi ya lactic

\[ \mathrm{2C_3H_6O_3\ (LAc) \rightleftharpoons C_6H_{10}O_5\ (DLAc) + H_2O} \]

\[ r = m_{cat}\left(k_D^{R4}x_{LAc}^{2}-k_R^{R4}x_{DLAc}x_{H_2O}\right) \]

Trimerization ya asidi ya lactic

\[ \mathrm{C_3H_6O_3\ (LAc) + C_6H_{10}O_5\ (DLAc) \rightleftharpoons C_9H_{14}O_7\ (TLAc) + H_2O} \]

\[ r = m_{cat}\left(k_D^{R5}x_{LAc}x_{DLAc}-k_R^{R5}x_{TLAc}x_{H_2O}\right) \]

Katika milinganyo, m_cat inawakilisha kiasi cha kichocheo, k_D mgawo wa mmenyuko wa mbele, k_R mgawo wa mmenyuko wa nyuma, a activity na x sehemu ya mole katika awamu ya kimiminika. PDF kuu haijatoa kitengo cha kasi ya mmenyuko, kitengo cha kiasi cha kichocheo wala thamani za namba za constants za kasi. Kwa hiyo, milinganyo inaonyesha utaratibu na muundo wa modeli iliyotumika, lakini maandishi makuu pekee hayatoshi kurudia kikamilifu hesabu za kinetics.

Grafu ya majimaji inasomwaje?

Katika grafu za majimaji zinazozalishwa na Aspen Plus Column Internals, mhimili wa mlalo unaonyesha kiwango cha mtiririko wa wingi wa kimiminika na mhimili wa wima unaonyesha kiwango cha mtiririko wa wingi wa mvuke. Eneo la bluu ni eneo la uendeshaji thabiti. Katika eneo hili, kimiminika hutiririka juu ya tray kuelekea weir na downcomer huku mvuke ukipanda kupitia mashimo ya tray.

Eneo la manjano ni eneo la onyo ambapo hatua ya uendeshaji iko chini ya asilimia 10 kutoka kikomo cha majimaji. Eneo la kijivu linaonyesha hali zisizo thabiti za uendeshaji. Hatua ya uendeshaji imelinganishwa na mipaka ya mzigo wa chini wa kimiminika, weeping, entrainment, jet flooding na downcomer flooding.

Weeping na dumping ni nini?

Weeping ni hali ambapo nguvu ya mvuke inayopanda haitoshi kushikilia kimiminika juu ya tray na kimiminika huvuja kupitia mashimo kwenda hatua ya chini. Mtiririko wa mvuke ukipungua zaidi, sehemu kubwa ya kimiminika humwagika kupitia mashimo; hali hii huitwa dumping. Katika hali zote mbili, mawasiliano yenye ufanisi kati ya kimiminika na mvuke hupungua.

Katika Aspen Plus, kikomo cha weeping kimehesabiwa kwa uhusiano huu:

\[ \frac{V_G^{Weep}}{A_H} = \frac{J_G^{*}} {\left[\frac{\rho_G}{gZ(\rho_L-\rho_G)}\right]^{1/2}} \]

• V_G^Weep: Kiasi cha mtiririko wa mvuke katika kikomo cha weeping,
• A_H: Jumla ya eneo la mashimo kwenye tray,
• J_G^*: Constant inayotegemea aina ya tray,
• ρ_G na ρ_L: Msongamano wa mvuke na kimiminika,
• g: Kasi ya mvuto,
• Z: Urefu tabia unaohusiana na kipenyo cha shimo na kiwango cha kimiminika kwenye tray.

Mashimo madogo ya tray huunda kasi kubwa zaidi ya mvuke kupitia mashimo kwa kiwango kilekile cha mtiririko wa mvuke, hivyo yanaweza kusaidia kushikilia kimiminika juu ya tray.

Entrainment ni nini?

Entrainment ni kubebwa kwa matone ya kimiminika na mvuke kutoka tray ya chini kwenda tray ya juu. Tukio hili linaweza kubeba vipengele vizito au visivyobadilika kwa urahisi hadi sehemu za juu za koloni, kupunguza ufanisi wa utenganishaji na kusababisha bidhaa ya juu kutokidhi specification.

Asilimia ya kimiminika kinachobebwa kwa entrainment imepewa kwa uhusiano huu wa msingi:

\[ \%\ Entrainment = 100\% \times \frac{e}{L+e} \]

• e: Kiwango cha mtiririko wa kimiminika kinachobebwa na mvuke kwenda tray ya juu,
• L: Kiwango cha mtiririko wa kimiminika kinachopaswa kushuka kwenda tray ya chini.

Aspen Plus pia hukadiria entrainment kwenye sieve trays kwa correlation hii ya empirical:

\[ \%E_S = 11.946f^{3.8961} \frac{1-\exp\left(-18.716f^{3.6675}-5.6415X^{0.83233}\right)} {\left[1+\left(1.0051-0.80125f\right)X^{0.26231}\right]^{5.8236\exp(2.0125f)}} \]

• %E_S: Uwiano wa entrainment ya kimiminika kwenye sieve tray,
• f: Kiwango cha sehemu cha ukaribu na kikomo cha jet flooding,
• X: Kigezo cha mtiririko.

Correlation inaonyesha kuwa entrainment hubadilika kwa nguvu na kwa njia isiyo ya mstari kulingana na kasi ya mvuke. Kuongeza kipenyo cha koloni huongeza eneo amilifu la sehemu ya msalaba, hupunguza kasi ya juu ya mvuke na kunaweza kupunguza entrainment. Kupunguza mzigo wa uvukizaji au kiwango cha feed pia kunaweza kuwa na athari sawa.

Flooding inayotokana na entrainment ilihesabiwaje?

Viwango vikubwa vya mtiririko wa kimiminika na mvuke vinaweza kujaza nafasi kati ya tray kwa povu na kimiminika kilichobebwa, na kusababisha flooding ya koloni. Utafiti umetumia uhusiano wa Glitsch kwa sieve trays:

\[ \frac{f}{100} = \frac{V_{Load}+L_{Load}\times FPL/13000} {AA\times CAF} \]

• V_Load: Kiwango cha mtiririko wa ujazo wa mvuke,
• L_Load: Kiwango cha mtiririko wa ujazo wa kimiminika,
• FPL: Urefu wa njia ya mtiririko wa kimiminika juu ya tray,
• AA: Eneo amilifu la tray linalopatikana kwa kuondoa eneo la downcomers kutoka eneo lote,
• CAF: Kigezo cha uwezo wa mvuke kinachoamuliwa kwa correlations za empirical.

Thamani ya f ikizidi 100 inaonyesha kuwa koloni imevuka kikomo cha flooding. Flooding inaweza kuongeza pressure drop, kusababisha uchafuzi wa bidhaa na katika hali kali kuhitaji koloni kusimamishwa.

Downcomer flooding ni nini?

Downcomer flooding hutokea wakati mzigo mkubwa wa kimiminika unafanya kimiminika kishindwe kupitishwa haraka vya kutosha kwenda tray ya chini na kiwango cha kimiminika kuanza kupanda kuelekea tray ya juu. Kiwango cha povu chenye hewa kimepewa na mlinganyo huu:

\[ h_{dc} = \frac{h_T+h_c+h_{da}+h_{hg}} {\alpha_d} \]

• h_dc: Kiwango cha povu chenye hewa ndani ya downcomer,
• h_T: Jumla ya pressure drop ya tray,
• h_c: Urefu wa kimiminika wazi juu ya tray,
• h_da: Pressure drop inayotokea kimiminika kinapopita kwenye uwazi wa downcomer,
• h_hg: Mteremko wa majimaji juu ya tray,
• α_d: Msongamano wa jamaa wa povu ndani ya downcomer.

Msongamano wa jamaa wa povu umehesabiwa kwa mlinganyo huu wa empirical:

\[ \alpha_d = 0.36617+ \frac{0.24215} {1+\exp\left[(378.54-\Delta\rho)/72.439\right]} \]

Δρ ni tofauti ya msongamano inayohusiana na msongamano wa kimiminika na mvuke. Coefficients za namba katika mlinganyo ni maalum kwa correlation ya empirical; kitengo cha msongamano kinachopaswa kutumiwa pamoja na coefficients hizi hakijaelezwa wazi katika maandishi makuu.

Marekebisho ya majimaji yalitumika kwa mpangilio gani?

Watafiti walitumia mtiririko wa maamuzi wa hatua kwa hatua uliolenga kuweka TAC chini iwezekanavyo wakati wa kutatua matatizo ya majimaji ya koloni. Kwanza yalijaribiwa mabadiliko ambayo yanaweza kupunguza TAC:

1. Kupunguza mzigo wa joto wa reboiler,
2. Kupunguza uwiano wa reflux,
3. Kupunguza kipenyo cha koloni,
4. Kubadilisha urefu wa weir.

Ikiwa chaguo hizi hazikutosha, mabadiliko yanayoweza kuongeza gharama yalitumika:

1. Kubadilisha urefu au mpangilio wa weir,
2. Kubadilisha hatua ya feed,
3. Kuongeza kipenyo cha koloni,
4. Kuongeza uwiano wa reflux,
5. Kuongeza mzigo wa joto wa reboiler.

Baada ya kila mabadiliko grafu ya majimaji ilitathminiwa tena; ikiwa eneo thabiti halikufikiwa, mchakato ulirudiwa na hatimaye TAC mpya ikahesabiwa. Shinikizo la koloni, jumla ya idadi ya hatua na nafasi au urefu wa sehemu tendaji hazikubadilishwa wakati wa marekebisho ya majimaji.

Nini kilipatikana katika usanidi wa kawaida?

Koloni ya preconcentration

Katika muundo wa awali, hatua ya uendeshaji ilikuwa juu ya curve ya kiwango cha juu cha entrainment. Kwa kuwa koloni ilikuwa na hatua moja tu ya utenganishaji, ilihitaji reflux na mzigo mkubwa wa kuchemsha; pia uvukizaji wa sehemu kubwa ya maji kwenye feed uliongeza mtiririko wa mvuke. Kupunguza uwiano wa reflux kutoka 0,16 hadi 0,05 kulihamisha hatua ya uendeshaji kwenda eneo thabiti.

Koloni ya esterification

Entrainment ya kimiminika ilionekana kati ya hatua ya pili na ya kumi na tano. Joto lililotolewa katika sehemu tendaji liliongeza mtiririko wa mvuke. Kupunguza urefu wa weir kwa kiwango cha juu kinachoruhusiwa cha asilimia 28 hakukutosha peke yake. Kwa kuwa feed zilikuwa kwenye ncha za koloni, hatua ya feed haikuweza kubadilishwa.

Tatizo lilitatuliwa kwa kuongeza kipenyo cha koloni kutoka mita 0,601 hadi mita 0,811, yaani kwa takribani asilimia 35. Kiwango cha chini cha kimiminika kwenye hatua za chini pia kilihitaji uwiano wa reflux kuongezwa kutoka 0,065 hadi 0,37. Mabadiliko haya yaliongeza mzigo wa reboiler kutoka 322,6 kW hadi 417,94 kW.

Koloni ya hydrolysis

Entrainment ya kimiminika ilibainika katika sehemu ya juu, huku mzigo mdogo wa kimiminika usiotosha kuvuka weir ukibainika katika sehemu ya chini. Kiwango cha reflux kuwa takribani mara tano chini ya kiwango cha mvuke, pamoja na mchango wa methanol na maji kwenye mtiririko mkubwa wa mvuke ndani ya koloni, vilielezwa kuwa sababu kuu.

Kuongeza uwiano wa reflux hadi mara nane ya thamani ya awali hakukutatuzi kabisa tatizo kwenye hatua za juu. Baada ya hatua ya feed kuhamishwa kutoka 33 hadi 10 ikihesabiwa kutoka juu, hatua za uendeshaji ziliingia katika eneo thabiti. Katika muundo wa mwisho, kipenyo kiliongezeka kutoka mita 0,413 hadi mita 0,703 na mzigo wa reboiler kutoka 520,4 kW hadi 1.133,9 kW.

Nini kilipatikana katika usanidi wenye muunganisho wa joto kwa sehemu?

Tatizo kuu la majimaji la muunganisho wa joto lilitokea katika koloni ya recovery. Katika hatua ya mfano ya nane ya sehemu ya juu, ukaribu na jet flooding ulifikia asilimia 125 na entrainment kubwa ya kimiminika ikaonekana. Katika sehemu ya chini, weeping ilitokea.

Ili kutoa reflux kwa koloni ya hydrolysis, asilimia 30 ya kimiminika katika sehemu ya juu ya koloni ya recovery ilichukuliwa kama side stream, jambo lililovuruga usawa wa kimiminika-mvuke katika sehemu ya chini. Feed kuwa katika awamu ya mvuke na tajiri kwa methanol pia ilisababisha methanol kuelekea hatua za juu, huku sehemu ya chini ikitajirika kwa kipengele kizito zaidi, maji.

Kwa sababu mtiririko wa sehemu za juu na chini ulikuwa tofauti, badala ya kipenyo kimoja cha koloni, vipenyo viwili tofauti vilitumika. Kipenyo cha sehemu ya juu kiliongezeka kutoka mita 0,389 hadi mita 0,8136, huku kipenyo cha sehemu ya chini kikiongezeka hadi mita 0,6068. Kipenyo kidogo zaidi cha sehemu ya chini kilichaguliwa ili kudumisha kasi ya juu ya mvuke katika kiwango kinachozuia weeping wakati kiwango cha mtiririko wa mvuke ni kidogo.

Marekebisho ya majimaji yalipunguza sana faida ya awali ya kiuchumi ya muunganisho wa joto. Uwiano wa reflux wa koloni ya recovery uliongezeka kutoka 2,30 hadi 6,50, mzigo wa reboiler kutoka 70,3 kW hadi 419,3 kW na thamani kamili ya mzigo wa condenser kutoka 541,7 kW hadi 1.235,8 kW.

Kwa nini koloni tendaji yenye ukuta wa kugawanya ilionekana kustahimili zaidi?

Koloni tendaji yenye ukuta wa kugawanya ndiyo usanidi pekee uliotumia MellapakPlus 252Y structured packing katika maeneo tendaji. Urefu unaolingana na hatua moja ya kinadharia kwa packing umetolewa kuwa mita 0,4. Katika modeli kuu, imekubaliwa kuwa packing ipo tu katika sehemu tendaji, huku sehemu zilizobaki zikiwa na sieve trays.

Katika sehemu ya reactive packing ya upande wa esterification, pressure drop ilikuwa ndogo na mgawanyo wa kimiminika na mvuke ulionekana kufaa. Hata hivyo, kwenye tray zilizo juu ya sehemu tendaji, kimiminika kilikuwa kidogo mno kuvuka weir. Katika muundo wa awali, uhamishaji wa kimiminika tajiri kwa maji kwenda upande wa esterification ulizuiliwa ili mmenyuko usisukumwe kurudi nyuma. Matokeo ya majimaji yalionyesha kuwa upunguzaji huu una kikomo cha chini cha kimwili.

Nafasi ya feed ya mkondo wa asidi ilihamishwa kutoka hatua ya sita hadi hatua ya kwanza na sehemu ya msalaba katika upande wa esterification wa ukuta ikabadilishwa. Katika sehemu tendaji yenye packing upande wa hydrolysis, mzigo mdogo wa kimiminika na pressure drop ndogo vilionekana; kupunguza kipenyo kutoka mita 0,57 hadi mita 0,52 kuliongeza mzigo wa kimiminika na pressure drop ya bed na kuhamisha hatua ya uendeshaji kwenda eneo linalofaa.

Katika muundo wa RDWC, mpangilio wa awali wa kimitambo uliokuwa wa kina zaidi na matumizi ya packing katika sehemu tendaji vilipunguza kiwango cha mabadiliko yaliyohitajika ili kufanikisha uwezekano wa majimaji. Zaidi ya hayo, kubadilisha koloni ya preconcentration na heater, flash drum na separator kulielezwa kuwa mojawapo ya tofauti kuu za muundo zilizopunguza gharama ya uendeshaji kwa asilimia 33,4 na gharama ya mtaji kwa asilimia 70,4.

Matokeo ya kiuchumi na kimazingira

Jedwali lifuatalo linalinganisha matokeo makuu kabla na baada ya marekebisho ya majimaji. Uwiano ulio kwenye mabano unaonyesha mabadiliko ikilinganishwa na muundo wa awali.

Athari kubwa zaidi ya gharama kutokana na marekebisho ya majimaji ilitokea katika usanidi wenye muunganisho wa joto. Ongezeko la TAC lilikuwa katika kiwango cha dola za Marekani elfu 452,13/mwaka. Ongezeko katika usanidi wa kawaida lilikuwa takribani dola za Marekani elfu 418,62/mwaka, na katika usanidi wa RDWC takribani dola za Marekani elfu 77,02/mwaka.

Uzalishaji na urejeshaji wa asidi ya lactic vilibadilika kwa chini ya asilimia 2 katika usanidi wote. Kwa upande mwingine, gharama za uendeshaji zinazotegemea matumizi ya nishati na utoaji wa dioksidi kaboni ziliongezeka kwa viwango vikubwa zaidi. Matokeo haya yanaonyesha kuwa, wakati kiasi cha bidhaa kinabaki karibu sawa, mizigo ya ziada ya uvukizaji na reflux inayohitajika kwa uwezekano wa majimaji hubadilisha utendaji wa kiuchumi na kimazingira.

Grafu zinaunga mkono utaratibu gani?

Katika grafu za majimaji za koloni za kawaida, hatua za awali za uendeshaji zinaonekana kuwa juu ya curve ya kiwango cha juu cha entrainment au chini ya mzigo wa chini wa weir. Baada ya kubadilisha kipenyo, reflux na hatua ya feed, hatua zilisogezwa kwenda eneo la bluu lenye uthabiti.

Katika koloni ya recovery yenye muunganisho wa joto, hatua ya uendeshaji ya sehemu ya juu imeonyeshwa juu ya mipaka ya kiwango cha juu cha entrainment na asilimia 100 jet flooding, huku hatua ya sehemu ya chini ikiwa karibu na kikomo cha weeping. Baada ya kutumia vipenyo viwili tofauti, hatua zote mbili ziliingia katika eneo la uendeshaji thabiti.

Grafu za maeneo tendaji yenye packing katika RDWC zinaonyesha pressure drop kwa kila urefu wa bed, tofauti na koloni za tray. Katika upande wa hydrolysis, hatua ya awali ya uendeshaji iko karibu na mzigo wa chini wa kimiminika na pressure drop ndogo. Baada ya kupunguza kipenyo, hatua ilihamishwa kwenda curve ya juu zaidi na inayofaa ya pressure drop. Matokeo haya yamehusishwa na kuloweshwa kwa kutosha kwa packing bed na kupungua kwa njia za upendeleo za kimiminika.

Nguvu za utafiti

• Unalinganisha chaguo tatu tofauti za process intensification kwa mbinu ileile ya tathmini ya majimaji.
• Unaunganisha matokeo ya uboreshaji wa kiuchumi na mipaka halisi ya uendeshaji wa vifaa vya ndani vya koloni.
• Unatumia vigezo tofauti vya majimaji kwa maeneo yenye tray na yenye packing.
• Unatoa mtiririko wa maamuzi unaoweza kutekelezwa unaopanga vigezo vya uendeshaji na muundo kwa kila tatizo kulingana na athari ya gharama.
• Unahesabu tena TOC, TCC, TAC, utoaji wa CO₂, uzalishaji na urejeshaji baada ya marekebisho ya majimaji.
• Unaonyesha kwa namba jinsi ulinganisho wa awali wa kiuchumi unaweza kubadilika unapozingatia uhalisia wa majimaji.

Mapungufu ya utafiti

• Utafiti unategemea tu uigaji wa hali thabiti wa Aspen Plus; hakuna koloni ya majaribio, pilot plant au data ya uendeshaji wa viwandani iliyotumika.
• Flowsheets za awali na vigezo vya muundo vimechukuliwa kutoka tafiti tatu tofauti za marejeo; usanidi haujaboreshwa kwa pamoja kutoka mwanzo ndani ya tatizo moja la uboreshaji.
• Modeli za kawaida na za muunganisho wa joto hazikutumia wigo uleule wa mmenyuko na vigezo vya kinetics kama rejeo la RDWC. Kila usanidi umehifadhi modeli ya mmenyuko ya utafiti wake wa chanzo.
• Dhana kwamba MellapakPlus 252Y packing katika RDWC ipo tu katika sehemu tendaji ilichukuliwa na watafiti kwa sababu wigo wa packing haukuonyeshwa wazi katika muundo wa awali wa marejeo.
• Shinikizo la koloni, jumla ya idadi ya hatua na urefu wa sehemu tendaji vilihifadhiwa thabiti wakati wa marekebisho ya majimaji. Uboreshaji mpana zaidi wa pamoja unaweza kutoa matokeo tofauti.
• Udhibiti wa dynamic, tabia ya startup na shutdown, mabadiliko ya feed na disturbances havijaigwa.
• Correlations za majimaji za Aspen Plus zinategemea mahusiano ya empirical; matokeo yanategemea modeli za tray na packing zilizochaguliwa.
• Imeelezwa kuwa milinganyo ya kina ya TCC, TOC, gharama za vifaa, bei za utilities na mahesabu ya CO₂ imetolewa katika taarifa za ziada badala ya PDF kuu; lakini taarifa hizo za ziada hazipo katika faili iliyopakiwa.
• Hakuna uchambuzi wa kutokuwa na uhakika, uchambuzi wa sensitivity, idadi ya marudio, confidence interval au jaribio la statistical significance lililowasilishwa.
• Utafiti haujapitiwa na wenzao.

Utafiti unaunga mkono nini?

• Miundo ya koloni iliyopatikana kwa lengo la kiuchumi pekee inaweza kuwa nje ya mipaka ya majimaji.
• Mabadiliko yanayofanywa ili kufanikisha uwezekano wa majimaji yanaweza kuongeza kwa kiasi kikubwa gharama ya mtaji, matumizi ya nishati na gharama ya jumla ya mwaka.
• Kati ya chaguo tatu za uigaji zilizochunguzwa, RDWC iliendelea kutoa TAC ya chini zaidi baada ya marekebisho ya majimaji.
• Matumizi ya packing na kupunguza idadi ya koloni yalifanya ongezeko la gharama ya RDWC kubaki dogo kuliko katika usanidi mwingine.
• Kuingiza hali za majimaji moja kwa moja katika uboreshaji wa muundo badala ya kuziongeza baadaye kunaweza kutoa ulinganisho wa kiuchumi wenye uhalisia zaidi.

Utafiti hauthibitishi nini?

• Hauthibitishi kuwa RDWC itatoa gharama na utoaji uleule katika kiwanda halisi cha viwandani.
• Hauonyeshi kuwa koloni zitakuwa rahisi kudhibiti dynamically au zitabaki thabiti katika disturbances zote za uendeshaji.
• Hauonyeshi kuwa mabadiliko ya kipenyo, reflux na hatua yaliyobainishwa yanachukua nafasi ya muundo wa kina wa kimitambo au idhini ya usalama.
• Hauthibitishi kuwa RDWC ndiyo chaguo bora kwa feed zote za asidi ya lactic, uwezo wote wa uzalishaji au hali zote za kiuchumi.
• Thamani za CO₂ zilizowasilishwa si tathmini kamili ya mzunguko wa maisha; utafiti unazitumia kama kiashirio kinachohusiana na process utilities na matumizi ya nishati.
• Hauwasilishi makubaliano ya kisayansi yaliyopitiwa na wenzao au mafanikio ya kiwango cha biashara.

Mbinu na Matokeo ya Utafiti

Muhtasari wa kiufundi wa mbinu

Marekebisho makuu ya majimaji

Ulinganisho baada ya marekebisho ya majimaji

Tathmini ya pamoja ya matokeo inaonyesha kuwa usanidi wa RDWC haukutoa tu gharama ya chini zaidi ya jumla ya mwaka, bali pia ulikuwa na gharama ya chini zaidi ya uendeshaji, gharama ya mtaji na utoaji wa CO₂ kati ya chaguo tatu zilizorekebishwa. Hata hivyo, ubora huu unatumika kwa feed, modeli ya kinetics, bei za vifaa na dhana za muundo zilizotumika ndani ya uigaji huu.

Maelezo ya Chanzo na Mbinu

Jina asili la utafiti: Effect of Hydraulics on Optimization of Intensified Distillation Columns Configurations

Waandishi na mpangilio wao: Lucas de Oliveira Carneiro; Karoline Dantas Brito; Rivana Mabel Lucena Oliveira Souto; Romildo Pereira Brito.

Taarifa ya mchango sawa: PDF haina taarifa ya uandishi mwenza wa kwanza au mchango sawa.

Mwandishi wa mawasiliano: PDF haina alama tofauti ya mwandishi wa mawasiliano. Kwenye ukurasa wa rekodi wa SSRN, Romildo Pereira Brito ameonyeshwa kama “Contact Author”.

Taasisi: Federal University of Campina Grande, Department of Chemical Engineering, Campina Grande, Paraíba, Brezilya, 58109-970.

DOI: 10.2139/ssrn.6945151

Aina ya chanzo: Preprint ya utafiti; kazi ya steady-state process simulation, hydraulic modeling na techno-economic comparison.

Hali ya uhakiki wa wenzao: Utafiti huu ni preprint na haujapitiwa na wenzao.

Jarida: Rekodi rasmi ya SSRN haionyeshi jina la jarida lililopitiwa na wenzao au taarifa ya toleo la mwisho lililokubaliwa.

Jukwaa la uchapishaji: SSRN.

Mmiliki/mwendeshaji wa jukwaa: Elsevier Inc.

Mwaka wa uchapishaji na tarehe ya rekodi ya SSRN: 2026; 15 Juni 2026.

Viungo rasmi:Ukurasa wa rekodi wa SSRN na Kiungo cha DOI.

Ufadhili: Waandishi wameeleza msaada wa kifedha wa CAPES.

Mgongano wa maslahi: Waandishi wametangaza kuwa hakuna maslahi ya kifedha yanayojulikana au uhusiano wa kibinafsi unaoweza kuathiri utafiti.

Maelezo haya ya Kituruki yametayarishwa kwa kutegemea PDF ya kurasa 26 iliyopakiwa. Hakuna matokeo ya kisayansi ya ziada, matokeo ya majaribio au dai la mafanikio ya kibiashara ambalo halipo katika PDF lililoongezwa. Vyanzo vya nje vimetumika tu kuthibitisha DOI, tarehe ya rekodi ya SSRN, mwandishi wa mawasiliano, jukwaa na utambulisho wa mchapishaji.

Hitilafu za ndani na mipaka ya kurudiwa kwa matokeo katika PDF

• Asilimia ya TAC: Sehemu ya matokeo inasema kuwa mipaka ya majimaji iliongeza TAC “hadi asilimia 30”. Hata hivyo, Jedwali 7 linaonyesha ongezeko la juu la asilimia 45,3 kwa usanidi wenye muunganisho wa joto. Wastani wa kihisabati wa ongezeko la usanidi tatu ni takribani asilimia 30,5. Kwa hiyo, kauli ya asilimia 30 ina maana zaidi kama wastani wa karibu, si thamani ya juu.
• Hatua inayopendekezwa kwa weeping: Maandishi yanaeleza kuwa weeping hupungua mtiririko wa mvuke unapoongezeka. Kwa upande mwingine, Jedwali 3 linapendekeza kupunguza boiling ratio au mzigo wa reboiler ili kutatua weeping inayotokana na mtiririko mdogo wa mvuke. Kauli hizi mbili zinapingana.
• Mtiririko wa mvuke na entrainment: Utafiti unasema entrainment hufuata power law yenye exponent kati ya 2 na 5 kulingana na kasi ya mvuke, kisha unasema ongezeko la asilimia 10 la mtiririko wa mvuke huongeza entrainment takribani mara kumi. Kwa kuwa ongezeko la asilimia 10 la kasi katika exponent ya 2-5 lingetoa mabadiliko ya takribani mara 1,21-1,61, kauli hizi mbili hazionekani kulingana moja kwa moja kwa namba.
• Kipenyo cha upande wa esterification wa RDWC: Maandishi ya maelezo yanasema kipenyo cha upande wa esterification kilipunguzwa. Jedwali 6 linaonyesha kipenyo kiliongezeka kutoka mita 0,601 hadi mita 0,64. Ikiwa ufafanuzi tofauti umetumika kati ya jiometri ya sehemu ya msalaba na equivalent diameter, tofauti hiyo haijaelezwa katika maandishi makuu.
• Namba ya mchoro: Namba “Mchoro 13” imetumika mara mbili, kwa grafu za majimaji za RDWC na kwa grafu ya mgawanyo wa TAC.
• Milinganyo ya gharama: Imeelezwa kuwa milinganyo ya gharama za vifaa na uendeshaji imetolewa katika taarifa za ziada; lakini faili hiyo ya ziada haipo katika PDF iliyopakiwa. Kwa hiyo, matokeo ya TAC, TCC, TOC na CO₂ hayawezi kuhesabiwa upya kikamilifu kwa kutumia PDF kuu pekee.
• Ulinganisho wa kinetics: Usanidi tatu zinahifadhi reaction na kinetic parameters za tafiti zao husika za marejeo. Kwa hiyo, ulinganisho si utafiti ambapo usanidi wote umeboreshwa kutoka mwanzo kwa reaction set inayofanana kabisa.

Kutokana na mipaka hii, utafiti unatoa mfano wenye nguvu wa modeling unaoonyesha kuwa majimaji ya koloni hayapaswi kupuuzwa katika uboreshaji wa kiuchumi; hata hivyo, haupaswi kuchukuliwa kama uthibitisho wa mwisho wa muundo wa viwandani. Matokeo yanahitaji uhakiki wa wenzao, kurudiwa kwa kina, uchambuzi wa dynamic control na uthibitishaji wa majaribio.