Ин таҳқиқот месанҷад, ки оё колоннаҳои интенсификатсияшудаи дистиллятсия, ки аз ҷиҳати иқтисодӣ оптимизатсия шудаанд, ҳангоми муқоисаи ҷараёнҳои моеъ ва буғ бо ҳудудҳои воқеии гидравликии таҷҳизоти дохилии колонна қобили истифода мебошанд ё не. Барқароркунии кислотаи лактикӣ ҳамчун раванди намунавӣ интихоб шуда, се вариант — пайдарпаии анъанавии дистиллятсияи реактивӣ, конфигуратсияи қисман пайвасти термалӣ ва колоннаи реактивии дорои девори тақсимкунанда — бо Aspen Plus дар ҳолати устувор моделсозӣ шудаанд. Ҳангоми ба назар гирифтани маҳдудиятҳои гидравликӣ, хароҷоти умумии солона дар сохтори анъанавӣ 37,8 фоиз, дар сохтори қисман пайвасти термалӣ 45,3 фоиз ва дар колоннаи реактивии дорои девори тақсимкунанда 8,4 фоиз афзоиш ёфтааст. Бо вуҷуди ин, колоннаи реактивии дорои девори тақсимкунанда ҳатто пас аз ислоҳоти гидравликӣ ҳам пасттарин хароҷоти умумии солона ва пасттарин партоби гази карбонро таъмин кардааст. Таҳқиқот як preprint-и симулятсионӣ мебошад, ки аз баррасии ҳамтоён нагузаштааст; тасдиқи таҷрибавӣ, миқёси пилотӣ ё истифодаи саноатиро пешниҳод намекунад.

Дар бисёре аз тарҳҳои ибтидоие, ки бо оптимизатсияи иқтисодӣ ба даст омадаанд, кашидашавии моеъ, weeping, нокифоя будани бори моеъ дар табақча ё гузаштани ҳудудҳои flooding муайян шудаанд. Барои бартараф кардани ин мушкилот тағйирёбандаҳое чун таносуби reflux, зинаи ғизодиҳӣ, диаметри колонна, дарозии weir ва бори гармии reboiler тағйир дода шудаанд. Тарҳҳои аз ҷиҳати гидравликӣ қобили истифода ба энергия ва таҷҳизоти гаронтар ниёз доштаанд; аз ин рӯ нишон дода шудааст, ки ҳалли математикӣ, ки танҳо энергия ё хароҷоти умумии солонаро кам мекунад, ҳатман тарҳи воқеан коршоями колонна нест.

Пас аз ислоҳоти гидравликӣ хароҷоти умумии солонаи колоннаи реактивии дорои девори тақсимкунанда 990,59 ҳазор доллари ИМА/сол ҳисоб шудааст. Ин қимат аз хароҷоти конфигуратсияи қисман пайвасти термалӣ тақрибан 31 фоиз ва аз конфигуратсияи анъанавӣ тақрибан 35 фоиз камтар аст. Дар ҳамон конфигуратсия истеҳсоли кислотаи лактикӣ 357,56 kg/соат, дараҷаи барқароркунӣ 94,96 фоиз ва партоби гази карбон 449,37 kg/соат гузориш шудааст.

Саволи асосии таҳқиқот чист?

Саволи асосии таҳқиқот ин аст, ки оё равандҳои интенсификатсияшудаи дистиллятсия, ки бо истифода аз функсияҳои ҳадафи иқтисодӣ, аз қабили хароҷоти умумии солона, оптимизатсия шудаанд, аз ҷиҳати ҷараёнҳои воқеии моеъ ва буғ дар дохили колонна метавонанд ба таври устувор кор кунанд. Тарҳ метавонад истеъмоли пасти энергия ва хароҷоти ками таҷҳизот нишон диҳад; аммо агар дар табақчаҳо моеъи кофӣ ҷамъ нашавад, буғ моеъро ба зинаҳои боло барад ё колонна аз ҳадди flooding гузарад, ин бартарии иқтисодӣ дар истифодаи воқеӣ ба даст намеояд.

Таҳқиқот махсусан ба саволҳои зерин ҷавоб меҷӯяд:

• Оё се конфигуратсияи аз ҷиҳати иқтисодӣ оптимизатсияшудаи барқароркунии кислотаи лактикӣ аз ҷиҳати гидравликӣ қобили истифода мебошанд?
• Барои бартараф кардани мушкилоти гидравликӣ кадом тағйирёбандаҳои корӣ ва тарҳӣ бояд тағйир дода шаванд?
• Ин ислоҳот хароҷоти умумии корӣ, хароҷоти сармоявӣ, хароҷоти умумии солона ва партоби гази карбонро чӣ гуна тағйир медиҳанд?
• Пас аз таъмин шудани қобилияти гидравликӣ кадом конфигуратсияи дистиллятсияи интенсификатсияшуда ҳамчун варианти аз ҳама муфид боқӣ мемонад?

Чаро таҳқиқот муҳим аст?

Дистиллятсия як амалиёти ҷудосозӣ бо талаботи баланди гармкунӣ ва сардкунӣ мебошад. Равишҳои интенсификатсияи раванд ҳадаф доранд ин борро бо таҷҳизоти камтар ё ҳамгироии муассиртари энергия коҳиш диҳанд. Дистиллятсияи реактивӣ, колоннаҳои дорои девори тақсимкунанда ва колоннаҳои пайвасти термалӣ аз ҷумлаи имконоти асосии барои ин мақсад таҳияшуда мебошанд.

Бо вуҷуди ин, оптимизатсияи раванд танҳо бо тавозуни масса ва энергия маҳдуд намешавад. Табақчаҳо ё қисмҳои packing-и колонна бояд ҷараёнҳои ҳисобшудаи моеъ ва буғро аз ҷиҳати физикӣ интиқол дода тавонанд. Агар диаметри колонна, сӯрохиҳои табақча, дарозии weir, майдони downcomer ва иқтидори packing мувофиқ набошанд, тамоси байни фазаҳо метавонад вайрон шавад. Ин вайроншавӣ ба самаранокии ҷудосозӣ, тозагии маҳсулот, идорашавӣ ва кори пайваста мустақим таъсир мерасонад.

Холигии ҳадафшуда дар адабиёт чист?

Мувофиқи таҳқиқот, дар равандҳои дистиллятсияи интенсификатсияшуда арзёбии оптимизатсияи иқтисодӣ ва сохторҳои идоракунӣ маъмул аст, аммо ворид кардани гидравликаи колонна ба оптимизатсияи тарҳ ба таври ошкоро маҳдудтар мебошад. Муҳаққиқон таъкид мекунанд, ки сарфаи назариявии энергия ва хароҷот танҳо дар сурате амалӣ мешавад, ки колонна дар минтақаи устувори гидравликӣ кор кунад.

Ин таҳқиқот се тарҳи гуногуни қаблан нашршудаи барқароркунии кислотаи лактикиро аз нав сохта, натиҷаҳои иқтисодиро ҳамроҳ бо қобилияти гидравликӣ арзёбӣ мекунад. Бо ин роҳ фосилаи байни оптимизатсияи консептуалии раванд ва андозагирии воқеии колонна намоён мегардад.

Барқароркунии кислотаи лактикӣ чӣ гуна моделсозӣ шудааст?

Раванди намунавӣ ба барқароркунии кислотаи лактикӣ аз ҷараёни обии разредшуда асос ёфтааст. Ба ҷои он ки кислотаи лактикӣ мустақим дистиллятсия шавад, аввал бо метанол этерификатсия шуда, ба метиллактат табдил дода мешавад. Аз ҷиҳати термалӣ ҷудошавии муносибтари метиллактат имкон медиҳад онро бо дистиллятсия аз об ва дигар компонентҳо ҷудо кунанд. Сипас метиллактат гидролиз шуда, кислотаи лактикӣ дубора ба даст оварда мешавад.

Дар раванд қатрони ивазкунандаи ионии Amberlyst 15 ҳамчун катализатор истифода шудааст. Хосиятҳои термодинамикӣ бо модели UNIQUAC-HOC ҳисоб шудаанд. Ин модел барои ифодаи рафтори ғайриидеалии фазаи моеъ ва димеризатсияи кислотаҳои органикӣ дар фазаи буғ интихоб шудааст. Параметрҳои таъсири мутақобилаи бинарӣ, ки дар бонки маълумоти Aspen Plus мавҷуд набуданд, бо усули UNIFAC тахмин карда шудаанд.

Се конфигуратсияи муқоисашудаи раванд

Арзёбии иқтисодӣ чӣ гуна анҷом дода шудааст?

Ҳадафи иқтисодӣ ҳамчун хароҷоти умумии солона (Total Annual Cost, TAC) муайян шудааст:

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

• TAC: Хароҷоти умумии солона, kUS$/сол,
• TCC: Хароҷоти умумии сармоявӣ барои колоннаҳо, ивазкунандаҳои гармӣ ва дигар таҷҳизот, kUS$,
• TOC: Хароҷоти солонаи корӣ вобаста ба буғ, сардкунӣ ва дигар utilities-и раванд, kUS$/сол,
• Payback: Давраи бозгашти сармоя; дар таҳқиқот се сол қабул шудааст.

Воҳиди kUS$ дар ин ҷо ҳазор доллари ИМА-ро ифода мекунад. TAC қарори муфассали сармоягузорӣ нест, балки нишондиҳандаи ибтидоии техноиқтисодӣ барои муқоисаи тарҳҳои гуногун дар асоси иқтисодии якхела мебошад.

Реаксияҳо ва муодилаҳои кинетикӣ

Этерификатсияи кислотаи лактикӣ

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

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

Марҳилаи якуми этерификатсияи кислотаи суксинат

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

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

Марҳилаи дуюми этерификатсияи кислотаи суксинат

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

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

Димеризатсияи кислотаи лактикӣ

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

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

Тримеризатсияи кислотаи лактикӣ

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

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

Дар муодилаҳо m_cat миқдори катализатор, k_D коэффисиенти реаксияи пеш, k_R коэффисиенти реаксияи баръакс, a activity ва x ҳиссаи молии фазаи моеъро ифода мекунанд. Дар PDF-и асосӣ воҳиди суръати реаксия, воҳиди миқдори катализатор ва қиматҳои ададии константаҳои суръат дода нашудаанд. Аз ин рӯ муодилаҳо механизм ва шакли модели истифодашударо нишон медиҳанд, аммо матни асосӣ танҳо барои пурра бозтавлид кардани ҳисобҳои кинетикӣ кофӣ нест.

Графики гидравликӣ чӣ гуна хонда мешавад?

Дар графикҳои гидравликии аз ҷониби Aspen Plus Column Internals тавлидшуда, меҳвари уфуқӣ дебити массавии моеъ ва меҳвари амудӣ дебити массавии буғро нишон медиҳад. Майдони кабуд минтақаи кори устувор мебошад. Дар ин минтақа моеъ аз болои табақча ба самти weir ва downcomer ҷараён мегирад, дар ҳоле ки буғ аз сӯрохиҳои табақча ба боло мебарояд.

Майдони зард минтақаи огоҳӣ мебошад, ки дар он нуқтаи корӣ аз ҳудуди гидравликӣ камтар аз 10 фоиз дур аст. Майдони хокистарӣ бошад шароити кори ноустуворро ифода мекунад. Нуқтаи корӣ бо ҳудудҳои ҳадди ақали бори моеъ, weeping, entrainment, jet flooding ва downcomer flooding муқоиса шудааст.

Weeping ва dumping чист?

Weeping ҳолатест, ки қувваи болоравандаи буғ барои нигоҳ доштани моеъ рӯи табақча кофӣ нест ва моеъ аз сӯрохиҳо ба зинаи поён мечакад. Агар ҷараёни буғ боз ҳам кам шавад, қисми зиёди моеъ аз сӯрохиҳо мерезад; ин ҳолат dumping номида мешавад. Дар ҳар ду ҳолат тамоси муассири моеъ ва буғ кам мешавад.

Дар Aspen Plus ҳудуди weeping бо робитаи зерин ҳисоб шудааст:

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

• V_G^Weep: Андозаи ҷараёни буғ дар ҳудуди weeping,
• A_H: Майдони умумии сӯрохиҳо дар табақча,
• J_G^*: Константаи вобаста ба навъи табақча,
• ρ_G ва ρ_L: Зичии буғ ва моеъ,
• g: Шитоби ҷозиба,
• Z: Дарозии хос вобаста ба диаметри сӯрох ва сатҳи моеъ дар табақча.

Сӯрохиҳои хурдтари табақча дар ҳамон дебити буғ суръати баландтари сӯрохро ба вуҷуд меоранд ва метавонанд ба нигоҳ доштани моеъ рӯи табақча кумак кунанд.

Entrainment чист?

Entrainment ҳолатест, ки буғ қатраҳои моеъро аз табақчаи поён ба табақчаи боло мебарад. Ин падида метавонад компонентҳои вазнин ё ғайриволатилиро ба қисмҳои болоии колонна интиқол диҳад, самаранокии ҷудосозиро паст кунад ва ба маҳсулоти болоии берун аз specification оварда расонад.

Фоизи моеъи entrained бо робитаи асосии зерин дода шудааст:

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

• e: Дебити моеъе, ки бо буғ ба табақчаи боло бурда мешавад,
• L: Дебити моеъе, ки бояд ба табақчаи поён ҷорӣ шавад.

Aspen Plus entrainment-ро дар sieve tray инчунин бо коррелятсияи эмпирикии зерин тахмин мекунад:

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

• %E_S: Таносуби entrainment-и моеъ дар sieve tray,
• f: Наздикшавии фраксионӣ ба ҳудуди jet flooding,
• X: Параметри ҷараён.

Коррелятсия нишон медиҳад, ки entrainment бо суръати буғ ба таври қавӣ ва ғайрихаттӣ тағйир меёбад. Зиёд кардани диаметри колонна майдони фаъоли буришро зиёд, суръати сатҳии буғро кам ва entrainment-ро коҳиш дода метавонад. Кам кардани бори бухоршавӣ ё дебити ғизо низ метавонад таъсири монанд диҳад.

Flooding-и аз entrainment чӣ гуна ҳисоб шудааст?

Дебитҳои баланди моеъ ва буғ метавонанд фосилаи байни табақчаҳоро бо кафк ва моеъи кашидашуда пур карда, ба flooding-и колонна оварда расонанд. Дар таҳқиқот барои sieve tray робитаи Glitsch истифода шудааст:

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

• V_Load: Дебити ҳаҷмии буғ,
• L_Load: Дебити ҳаҷмии моеъ,
• FPL: Дарозии роҳи ҷараёни моеъ рӯи табақча,
• AA: Майдони фаъоли табақча, ки аз майдони умумӣ майдони downcomer-ҳо тарҳ карда мешавад,
• CAF: Омили иқтидори буғ, ки бо коррелятсияҳои эмпирикӣ муайян мешавад.

Гузаштани қимати f аз 100 нишон медиҳад, ки колонна аз ҳудуди flooding гузаштааст. Flooding метавонад басомади фишорро афзоиш диҳад, ба олудашавии маҳсулот оварда расонад ва дар ҳолатҳои вазнин қатъи колоннаро талаб кунад.

Downcomer flooding чист?

Downcomer flooding ҳолатест, ки бинобар бори баланди моеъ, моеъ наметавонад ба қадри кофӣ зуд ба табақчаи поён гузарад ва сатҳи моеъ ба самти табақчаи боло боло меравад. Сатҳи кафки aerated бо муодилаи зерин дода шудааст:

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

• h_dc: Сатҳи кафки aerated дар downcomer,
• h_T: Коҳиши умумии фишори табақча,
• h_c: Баландии моеъи равшан рӯи табақча,
• h_da: Коҳиши фишор ҳангоми гузаштани моеъ аз кушодагии downcomer,
• h_hg: Градиенти гидравликӣ рӯи табақча,
• α_d: Зичии нисбии кафк дар downcomer.

Зичии нисбии кафк бо муодилаи эмпирикии зерин ҳисоб шудааст:

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

Δρ фарқи зичиро вобаста ба зичии моеъ ва буғ ифода мекунад. Коэффисиентҳои ададии муодила ба коррелятсияи эмпирикӣ хосанд; дар матни асосӣ воҳиди зичие, ки бояд бо ин коэффисиентҳо истифода шавад, ба таври равшан гуфта нашудааст.

Ислоҳоти гидравликӣ бо кадом тартиб татбиқ шудаанд?

Муҳаққиқон ҷараёни қарори марҳилавиеро истифода кардаанд, ки ҳадаф дошт ҳангоми бартараф кардани мушкилоти гидравликии колонна TAC-ро то ҳадди имкон паст нигоҳ дорад. Аввал тағйироте санҷида шуданд, ки метавонанд TAC-ро кам кунанд:

1. Кам кардани бори гармии reboiler,
2. Кам кардани таносуби reflux,
3. Кам кардани диаметри колонна,
4. Тағйир додани дарозии weir.

Агар ин имконот кофӣ набошанд, ба тағйироте гузаштанд, ки метавонанд хароҷотро зиёд кунанд:

1. Тағйир додани дарозӣ ё тартиби weir,
2. Тағйир додани зинаи ғизодиҳӣ,
3. Зиёд кардани диаметри колонна,
4. Зиёд кардани таносуби reflux,
5. Зиёд кардани бори гармии reboiler.

Пас аз ҳар тағйир графики гидравликӣ аз нав арзёбӣ мешуд; агар ба минтақаи устувор расидан имконнопазир мебуд, раванд такрор мешуд ва дар охир TAC-и нав ҳисоб мешуд. Фишори колонна, шумораи умумии зинаҳо ва мавқеъ ё дарозии қисми реактивӣ ҳангоми ислоҳи гидравликӣ тағйир дода нашудаанд.

Дар конфигуратсияи анъанавӣ чӣ ёфт шуд?

Колоннаи пешконсентратсия

Дар тарҳи аввал нуқтаи корӣ болотар аз каҷи ҳадди аксари entrainment ҷойгир буд. Азбаски колонна танҳо як зинаи ҷудосозӣ дошт, ба reflux ва бори ҷӯшонидани баланд ниёз дошт; бухор кардани қисми зиёди оби ғизо низ дебити буғро зиёд кард. Кам кардани таносуби reflux аз 0,16 то 0,05 нуқтаи кориро ба минтақаи устувор гузаронд.

Колоннаи этерификатсия

Байни зинаҳои дуюм ва понздаҳум entrainment-и моеъ мушоҳида шуд. Гармии озодшуда дар қисми реактивӣ дебити буғро зиёд кард. Кам кардани дарозии weir то ҳадди иҷозашудаи 28 фоиз ба танҳоӣ кофӣ набуд. Азбаски ғизоҳо дар нӯгҳои колонна ҷойгир буданд, зинаи ғизодиҳӣ тағйир дода намешуд.

Мушкил бо зиёд кардани диаметри колонна аз 0,601 метр то 0,811 метр, яъне тақрибан 35 фоиз, бартараф шуд. Сатҳи пасти моеъ дар зинаҳои поён инчунин талаб кард, ки таносуби reflux аз 0,065 то 0,37 зиёд карда шавад. Ин тағйир бори reboiler-ро аз 322,6 kW то 417,94 kW баланд кард.

Колоннаи гидролиз

Дар қисми боло entrainment-и моеъ ва дар қисми поён бори моеъе муайян шуд, ки барои гузаштани weir кофӣ набуд. Он ки дебити reflux тақрибан панҷ маротиба аз дебити буғ камтар буд ва метанолу об ба ҷараёни баланди буғ дар дохили колонна саҳм мегузоштанд, ҳамчун сабабҳои асосӣ шарҳ дода шудаанд.

Зиёд кардани таносуби reflux то ҳашт баробари қимати аввал мушкили зинаҳои аввалро пурра ҳал накард. Бо кӯчонидани зинаи ғизодиҳӣ аз 33-юм ба 10-ум аз боло, нуқтаҳои корӣ ба минтақаи устувор ворид шуданд. Дар тарҳи ниҳоӣ диаметри колонна аз 0,413 метр то 0,703 метр ва бори reboiler аз 520,4 kW то 1.133,9 kW афзоиш ёфт.

Дар конфигуратсияи қисман пайвасти термалӣ чӣ ёфт шуд?

Мушкилоти асосии гидравликии пайвасти термалӣ дар колоннаи барқароркунӣ ба вуҷуд омад. Дар зинаи намояндагии ҳаштуми қисми боло наздикшавӣ ба jet flooding ба 125 фоиз расид ва entrainment-и баланди моеъ мушоҳида шуд. Дар қисми поён бошад weeping рух дод.

Барои таъмин кардани reflux ба колоннаи гидролиз аз қисми болоии колоннаи барқароркунӣ 30 фоизи моеъ ҳамчун side stream гирифта шуд, ки тавозуни моеъ–буғро дар қисми поён вайрон кард. Он ки ғизо дар фазаи буғ ва бой аз метанол буд, инчунин боис шуд метанол ба зинаҳои боло равад, қисми поён бошад аз компоненти вазнинтар — об — бой гардад.

Азбаски ҷараёнҳои қисмҳои боло ва поён фарқ мекарданд, ба ҷои як диаметри колонна ду диаметри гуногун истифода шуданд. Диаметри қисми боло аз 0,389 метр то 0,8136 метр, диаметри қисми поён бошад то 0,6068 метр зиёд шуд. Диаметри хурдтари қисми поён барои он интихоб шуд, ки дар дебити пасти буғ суръати сатҳии буғ дар сатҳе нигоҳ дошта шавад, ки weeping-ро пешгирӣ кунад.

Ислоҳоти гидравликӣ бартарии ибтидоии иқтисодии пайвасти термалиро ба таври назаррас кам кард. Таносуби reflux-и колоннаи барқароркунӣ аз 2,30 то 6,50, бори reboiler аз 70,3 kW то 419,3 kW ва қимати мутлақи бори condenser аз 541,7 kW то 1.235,8 kW афзоиш ёфт.

Чаро колоннаи реактивии дорои девори тақсимкунанда устувортар баромад?

Колоннаи реактивии дорои девори тақсимкунанда ягона конфигуратсияест, ки дар минтақаҳои реактивӣ structured packing-и MellapakPlus 252Y истифода мекунад. Баландии ба як зинаи назариявӣ баробар барои packing 0,4 метр дода шудааст. Дар модели асосӣ қабул шудааст, ки packing танҳо дар қисмҳои реактивӣ истифода мешавад ва қисмҳои боқимонда sieve tray доранд.

Дар қисми packing-и реактивии тарафи этерификатсия коҳиши фишор паст ва тақсимоти моеъ ва буғ мувофиқ ёфт шудааст. Аммо дар табақчаҳои болои қисми реактивӣ моеъ барои гузаштани weir хеле кам буд. Дар тарҳи аввал гузариши моеъи бой аз об ба тарафи этерификатсия маҳдуд карда шуда буд, то реаксия ба самти баръакс тела дода нашавад. Натиҷаҳои гидравликӣ нишон доданд, ки ин коҳиш маҳдудияти физикии поёнӣ дорад.

Мавқеи ғизодиҳии ҷараёни кислота аз зинаи шашум ба зинаи якум гузаронида шуда, буриши тарафи этерификатсияи девор тағйир дода шуд. Дар қисми reactive packing-и тарафи гидролиз бори пасти моеъ ва коҳиши пасти фишор мушоҳида шуд; кам кардани диаметри колонна аз 0,57 метр то 0,52 метр бори моеъ ва коҳиши фишори packing bed-ро зиёд карда, нуқтаи кориро ба минтақаи мувофиқ овард.

Дар тарҳи RDWC муфассалтар будани тарҳи механикии аввал ва истифодаи packing дар қисми реактивӣ тағйироти барои қобилияти гидравликӣ лозимро маҳдуд карданд. Илова бар ин, иваз кардани колоннаи пешконсентратсия бо heater, flash drum ва separator ҳамчун яке аз фарқиятҳои асосии тарҳ шарҳ дода шудааст, ки хароҷоти кориро 33,4 фоиз ва хароҷоти сармоявиро 70,4 фоиз кам кардааст.

Натиҷаҳои иқтисодӣ ва экологӣ

Дар ҷадвали зерин натиҷаҳои асосӣ пеш ва пас аз ислоҳоти гидравликӣ муқоиса шудаанд. Таносубҳои дохили қавс тағйирро нисбат ба тарҳи аввал нишон медиҳанд.

Таъсири калонтарини ислоҳи гидравликӣ ба хароҷот дар конфигуратсияи пайвасти термалӣ ба вуҷуд омадааст. Афзоиши TAC дар сатҳи 452,13 ҳазор доллари ИМА/сол мебошад. Афзоиш дар конфигуратсияи анъанавӣ тақрибан 418,62 ҳазор доллари ИМА/сол ва дар конфигуратсияи RDWC тақрибан 77,02 ҳазор доллари ИМА/сол аст.

Истеҳсол ва барқароркунии кислотаи лактикӣ дар ҳамаи конфигуратсияҳо камтар аз 2 фоиз тағйир ёфтааст. Баръакс, хароҷоти кории вобаста ба истифодаи энергия ва партоби гази карбон бо таносубҳои хеле калонтар зиёд шудаанд. Ин натиҷа нишон медиҳад, ки дар ҳоле ки миқдори маҳсулот қариб нигоҳ дошта мешавад, борҳои иловагии бухоркунӣ ва reflux, ки барои қобилияти гидравликӣ лозиманд, иҷроиши иқтисодӣ ва экологиро тағйир медиҳанд.

Графикҳо кадом механизмро дастгирӣ мекунанд?

Дар графикҳои гидравликии колоннаҳои анъанавӣ дида мешавад, ки нуқтаҳои ибтидоии корӣ болотар аз каҷи ҳадди аксари entrainment ё поёнтар аз ҳадди ақали бори weir ҷойгир шудаанд. Пас аз тағйир додани диаметр, reflux ва зинаи ғизодиҳӣ нуқтаҳо ба минтақаи кабуди устувор гузаронида шудаанд.

Дар колоннаи барқароркунии пайвасти термалӣ, нуқтаи кории қисми боло болотар аз ҳудудҳои максималии entrainment ва 100 фоизи jet flooding, нуқтаи қисми поён бошад наздики ҳудуди weeping нишон дода шудааст. Пас аз истифодаи ду диаметри гуногун ҳар ду нуқта ба минтақаи кори устувор ворид шудаанд.

Графикҳои қисмҳои reactive packing-и RDWC, бар хилофи колоннаҳои табақчадор, коҳиши фишорро ба ҳар воҳиди баландии bed нишон медиҳанд. Дар тарафи гидролиз нуқтаи аввалини корӣ ба ҳадди ақали бори моеъ ва коҳиши пасти фишор наздик аст. Пас аз кам кардани диаметр нуқта ба каҷи баландтар ва мувофиқи коҳиши фишор гузаронида шудааст. Ин натиҷа бо тар кардани кофии packing bed ва кам кардани роҳҳои афзалиятноки моеъ алоқаманд дониста шудааст.

Ҷиҳатҳои қавии таҳқиқот

• Се варианти гуногуни интенсификатсияи равандро бо ҳамон равиши арзёбии гидравликӣ муқоиса мекунад.
• Натиҷаҳои оптимизатсияи иқтисодиро бо ҳудудҳои физикии кори таҷҳизоти дохилии колонна мепайвандад.
• Барои минтақаҳои tray ва packed column меъёрҳои гидравликии гуногун истифода мекунад.
• Ҷараёни амалии қарорро пешниҳод мекунад, ки тағйирёбандаҳои корӣ ва тарҳиро барои ҳар мушкил аз рӯи таъсири хароҷот тартиб медиҳад.
• Пас аз ислоҳоти гидравликӣ TOC, TCC, TAC, партоби CO₂, истеҳсол ва барқароркуниро аз нав ҳисоб мекунад.
• Ба таври ададӣ нишон медиҳад, ки муқоисаи аввалини иқтисодӣ ҳангоми ба назар гирифтани воқеияти гидравликӣ то чӣ андоза тағйир ёфта метавонад.

Маҳдудиятҳои таҳқиқот

• Таҳқиқот танҳо ба симулятсияҳои ҳолати устувори Aspen Plus такя мекунад; колоннаи таҷрибавӣ, пилотӣ ё маълумоти истифодаи саноатӣ истифода нашудааст.
• Схемаҳои ҷараёни ибтидоӣ ва тағйирёбандаҳои тарҳ аз се таҳқиқоти истинодии ҷудогона гирифта шудаанд; конфигуратсияҳо дар як масъалаи муштараки оптимизатсия аз сифр якҷо оптимизатсия нашудаанд.
• Дар моделҳои анъанавӣ ва пайвасти термалӣ бо истиноди RDWC доираи якхелаи реаксия ва параметрҳои кинетикӣ истифода нашудааст. Ҳар конфигуратсия модели реаксияи таҳқиқоти манбаи худро нигоҳ медорад.
• Фарзияи он ки MellapakPlus 252Y packing дар RDWC танҳо дар қисми реактивӣ ҷойгир аст, аз ҷониби муҳаққиқон қабул шудааст, зеро дар тарҳи аслии истинодӣ доираи packing ба таври равшан гуфта нашудааст.
• Фишори колонна, шумораи умумии зинаҳо ва дарозии қисмҳои реактивӣ ҳангоми ислоҳи гидравликӣ собит нигоҳ дошта шудаанд. Оптимизатсияи васеътари ҳамзамон метавонад натиҷаҳои дигар диҳад.
• Идоракунии динамикӣ, рафтори startup ва shutdown, тағйироти ғизо ва disturbance-ҳо моделсозӣ нашудаанд.
• Коррелятсияҳои гидравликии Aspen Plus ба робитаҳои эмпирикӣ такя мекунанд; натиҷаҳо аз моделҳои tray ва packing-и интихобшуда вобастаанд.
• Гуфта шудааст, ки муодилаҳои муфассали TCC, TOC, хароҷоти таҷҳизот, нархи воҳиди utility ва ҳисобҳои CO₂ дар маълумоти иловагӣ дода шудаанд, на дар PDF-и асосӣ; аммо ин маълумоти иловагӣ дар файли боршуда мавҷуд нест.
• Таҳлили номуайянӣ, таҳлили ҳассосият, шумораи такрор, фосилаи боварӣ ё санҷиши аҳамияти оморӣ пешниҳод нашудааст.
• Таҳқиқот аз баррасии ҳамтоён нагузаштааст.

Таҳқиқот чиро дастгирӣ мекунад?

• Тарҳҳои колоннае, ки танҳо аз рӯи функсияи ҳадафи иқтисодӣ ба даст омадаанд, метавонанд берун аз ҳудудҳои гидравликӣ қарор гиранд.
• Тағйироте, ки барои таъмин кардани қобилияти гидравликӣ анҷом мешаванд, метавонанд хароҷоти сармоявӣ, истеъмоли энергия ва хароҷоти умумии солонаро ба таври назаррас зиёд кунанд.
• Дар байни се варианти симулятсионии омӯхташуда RDWC пас аз ислоҳоти гидравликӣ ҳам пасттарин TAC-ро таъмин кардааст.
• Истифодаи packing ва кам кардани шумораи колоннаҳо афзоиши хароҷоти RDWC-ро нисбат ба конфигуратсияҳои дигар маҳдудтар нигоҳ доштааст.
• Ворид кардани шароити гидравликӣ ба оптимизатсияи тарҳ аз аввал, на баъдан, метавонад муқоисаҳои иқтисодии воқеитар диҳад.

Таҳқиқот чиро исбот намекунад?

• Исбот намекунад, ки RDWC дар як корхонаи воқеии саноатӣ ҳамон хароҷот ва партобро таъмин мекунад.
• Нишон намедиҳад, ки колоннаҳо аз ҷиҳати динамикӣ ба осонӣ идора мешаванд ё дар ҳамаи disturbance-ҳои корӣ устувор мемонанд.
• Нишон намедиҳад, ки тағйироти диаметри муайяншуда, reflux ва зинаҳо ҷойгузини тарҳи муфассали механикӣ ё тасдиқи бехатарӣ мебошанд.
• Исбот намекунад, ки RDWC барои ҳамаи таркибҳои ғизои кислотаи лактикӣ, иқтидорҳои истеҳсолӣ ё шароити иқтисодӣ беҳтарин вариант аст.
• Қиматҳои пешниҳодшудаи CO₂ арзёбии пурраи давраи ҳаёт нестанд; таҳқиқот онҳоро ҳамчун нишондиҳандаи вобаста ба utilities ва истеъмоли энергия истифода мебарад.
• Консенсуси илмии баррасишуда ё муваффақияти миқёси тиҷоратиро пешниҳод намекунад.

Усул ва бозёфтҳои таҳқиқот

Хулосаи техникии усул

Ислоҳоти асосии гидравликӣ

Муқоиса пас аз ислоҳи гидравликӣ

Арзёбии якҷояи натиҷаҳо нишон медиҳад, ки конфигуратсияи RDWC на танҳо пасттарин хароҷоти умумии солонаро таъмин кардааст, балки дар байни се варианти ислоҳшуда пасттарин хароҷоти корӣ, хароҷоти сармоявӣ ва партоби CO₂-ро низ доштааст. Бо вуҷуди ин, ин бартарӣ барои ғизо, модели кинетикӣ, нархҳои таҷҳизот ва фарзияҳои тарҳӣ дар доираи симулятсияи мазкур эътибор дорад.

Эзоҳи манбаъ ва усул

Номи аслии таҳқиқот: Effect of Hydraulics on Optimization of Intensified Distillation Columns Configurations

Муаллифон ва тартиби онҳо: Lucas de Oliveira Carneiro; Karoline Dantas Brito; Rivana Mabel Lucena Oliveira Souto; Romildo Pereira Brito.

Маълумоти саҳми баробар: Дар PDF изҳороти ҳаммуаллифи аввал ё саҳми баробар вуҷуд надорад.

Муаллифи масъул/тамос: Дар PDF аломати алоҳидаи муаллифи масъул мавҷуд нест. Дар саҳифаи сабти SSRN Romildo Pereira Brito ҳамчун “Contact Author” нишон дода шудааст.

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

DOI: 10.2139/ssrn.6945151

Навъи манбаъ: Preprint-и таҳқиқотӣ; кори симулятсияи ҳолати устувори раванд, моделсозии гидравликӣ ва муқоисаи техноиқтисодӣ.

Ҳолати баррасии ҳамтоён: Ин таҳқиқот preprint буда, аз баррасии ҳамтоён нагузаштааст.

Маҷалла: Дар сабти расмии SSRN номи маҷаллаи баррасишуда ё маълумоти қабули нашри ниҳоӣ нишон дода нашудааст.

Платформаи нашр: SSRN.

Соҳиб/оператори платформа: Elsevier Inc.

Соли нашр ва санаи сабти SSRN: 2026; 15 июни 2026.

Пайвандҳои расмӣ:Саҳифаи сабти SSRN ва Пайванди DOI.

Маблағгузорӣ: Муаллифон дастгирии молиявии CAPES-ро зикр кардаанд.

Бархӯрди манфиатҳо: Муаллифон изҳор кардаанд, ки манфиати молиявии маълум ё муносибати шахсие, ки метавонад ба таҳқиқот таъсир расонад, вуҷуд надорад.

Ин шарҳи туркӣ дар асоси PDF-и 26-саҳифаи боршуда омода шудааст. Ягон бозёфти иловагии илмӣ, натиҷаи таҷрибавӣ ё иддаои муваффақияти тиҷоратие, ки дар PDF вуҷуд надорад, илова нашудааст. Манбаъҳои беруна танҳо барои тасдиқи DOI, санаи сабти SSRN, муаллифи тамос, платформа ва ҳувияти ношир истифода шудаанд.

Номувофиқиятҳои дохилӣ ва маҳдудиятҳои бозтавлидшавӣ дар PDF

• Фоизи TAC: Дар қисми натиҷаҳо навишта шудааст, ки маҳдудиятҳои гидравликӣ TAC-ро “то 30 фоиз” зиёд кардаанд. Аммо Ҷадвали 7 барои конфигуратсияи пайвасти термалӣ афзоиши ҳадди аксари 45,3 фоизро нишон медиҳад. Миёнаи арифметикии афзоишҳои се конфигуратсия тақрибан 30,5 фоиз аст. Аз ин рӯ ифодаи 30 фоиз ҳамчун миёнаи тахминӣ маъно дорад, на ҳамчун ҳадди аксар.
• Дахолати пешниҳодшуда барои weeping: Матн шарҳ медиҳад, ки бо зиёд шудани ҷараёни буғ weeping кам мешавад. Аммо Ҷадвали 3 барои бартараф кардани weeping, ки аз ҷараёни пасти буғ ба вуҷуд омадааст, кам кардани boiling ratio ё бори reboiler-ро пешниҳод мекунад. Ин ду изҳорот бо ҳам мухолифанд.
• Ҷараёни буғ ва entrainment: Таҳқиқот мегӯяд, ки entrainment бо суръати буғ қонуни дараҷавии байни 2 ва 5-ро пайравӣ мекунад, сипас мегӯяд, ки 10 фоиз афзоиши ҷараёни буғ entrainment-ро тақрибан даҳ маротиба зиёд мекунад. Азбаски 10 фоиз афзоиши суръат дар доираи дараҷаи 2-5 тақрибан ба тағйири 1,21-1,61 маротиба мувофиқат мекунад, ин ду изҳорот аз ҷиҳати ададӣ мустақиман мувофиқ намебошанд.
• Диаметри тарафи этерификатсияи RDWC: Матни шарҳ мегӯяд, ки диаметри тарафи этерификатсия кам карда шудааст. Ҷадвали 6 бошад нишон медиҳад, ки диаметр аз 0,601 метр то 0,64 метр зиёд шудааст. Агар байни геометрияи буриш ва диаметри эквивалентӣ таърифи дигар истифода шуда бошад, ин фарқ дар матни асосӣ шарҳ дода нашудааст.
• Рақами шакл: Рақами “Шакли 13” ҳам барои графикҳои гидравликии RDWC ва ҳам барои графики тақсимоти TAC ду маротиба истифода шудааст.
• Муодилаҳои хароҷот: Гуфта шудааст, ки муодилаҳои хароҷоти таҷҳизот ва корӣ дар маълумоти иловагӣ дода шудаанд; аммо ин файли иловагӣ дар PDF-и боршуда вуҷуд надорад. Аз ин рӯ натиҷаҳои TAC, TCC, TOC ва CO₂-ро танҳо бо PDF-и асосӣ пурра аз нав ҳисоб кардан имконнопазир аст.
• Муқоисаи кинетикӣ: Се конфигуратсия параметрҳои реаксия ва кинетикии корҳои истинодии дахлдорро нигоҳ медоранд. Аз ин рӯ муқоиса кори он нест, ки ҳамаи конфигуратсияҳо бо маҷмӯи комилан якхелаи реаксия аз сифр якҷо оптимизатсия шудаанд.

Бо сабаби ин маҳдудиятҳо, таҳқиқот намунаи пурқуввати моделсозиро пешниҳод мекунад, ки гидравликаи колонна набояд дар оптимизатсияи иқтисодӣ сарфи назар шавад; аммо он набояд ҳамчун далели ниҳоии тарҳи саноатӣ арзёбӣ гардад. Натиҷаҳо ба баррасии ҳамтоён, бозтавлидкунии муфассал, таҳлили идоракунии динамикӣ ва тасдиқи таҷрибавӣ ниёз доранд.