اصول طراحی (طراحی کارخانجات فرا پالایش)

[Mahdi Eng 22,940]

مقدمه :

 

به طور کلی فرایند فرا پالایش را می توا نبه سه طریق انجام داد که عبارتند از :

روش مرحله ای ((batch )) نیمه مداوم (( semi _continuous )) (( ورود و خروج تک مرحله ای )) و مداوم یا سیستم چرخشی { continuous or stage recirculatin } (( ورود و خروج چند مرحله ای )) . معمولا روش های اول و دوم را ذر ازمایشگاه ها یا مقیاس های کوچک صنعتی مورد استفاده قرار می دهند . کار خانجات صنعتی فرا پالا یش با روش سوم یعنی چرخشی یا مداوم کار می کنند . در طراحی کارخانجات فراپالا یش عوامل متعددی دخیلند که به طور خلاصه عبارتند از :

 

1 _ تناسب عملکرد غشا و شکل مدول با ترکیبات و خواص سیالی که بایستی فرایند شود .

2 _ درجه تغلیظ ( نسبت تغلیظ ) و درجه جدا سازی مورد انتظار ( فراپا لایش / دیا*****اسیون ) .

3 _ شدت جریان سیال فرایند شونده نسبت به کاهش تراوایی و مصرف انر ژی .

4 _ مدت زمان باقی ماندن مایع تغلیظ شده در کارخانه و احتمال رشد میکروارگانیزم ها .

5 _ هزین های عملیاتی و سرمایه ای گذاری مناسب با حجم و ارزش افزوده سیال فرایند شونده .

6 _ افت فشار در کارخانه

 

شاید طراحی کارخانجات فرا پالایش مهمترین عامل تعیین کننده ظرفیت , راندمان و توجیه اقتصادی کارخانه ها می باشد .

 

عملیات طراحی :

در عملیات طراحی مرحله ای سیال به وسیله پمپ از مخزن ذخیره به سمت مدولهای فراپا لا یش هدایت می گردد , و پس از فرا پا لایش مایع تغلیظ شده مجددا به مخزن اولیه بازگشت داده می شود و پساب در مسیر جداگانه ای جاری می گردد. به این ترتیب کم کم به غلظت محتوی مخزن افزوده شده و هنگامیکه غلظت مواد محتوی ان به اندازه کافی رسید , عملیات متوقف می شود .

در فرایند دیگر ی که بر پایه عملیات مرحله ای انجام می گیرد , سطح سیال تغلیظ شدنی در مخزن همواره با افزودن مایع تغلیظ شدنی متنا سب با خروج پساب متعادل و ثابت نگه داشته می شود .

 

عملیات مرحله ای دارای مزایا و معایبی می باشد که عبارتند از :

 

مزایا :

1 _ سادگی 2 _ قابلیت انعطاف 3 _ امکان استفاده چند منظوره از فرایند

 

معا یب :

1 – زمان اقامت مایع فرایند شونده در سیستم طولانی است .

2 – سیال فقط در مر حله نهایی عملیات به غلظت مطلوب می رسد .

3 _بالا بودن مصرف انرژی

 

سطح غشا لازم در کارخانجاتی که بصورت عملات مرحله ای کار می کنند را می توان با استفاده از عوامل زیر تعیین نمود :

 

1 _ فاکتور غلظت مورد نظر

2 _ حجم فاز ماندگار تولیدی در ساعت

3 _ میانگین تراوایی در طی عملیات

 

میانگین تراوایی ( Average flux ) را می توان بر اساس ازمایشات بعمل امده جهت تعیین نسبت تراوایی به غلظت , تحت شرایط ویژه و معین , تعیین نمود.

 

عملیات نیمه مداوم :

در عملیات نیمه مداوم سیال ورودی به وسیله پمپ از مخزن وارد حلقه چرخش می شود قسمت عمده چرخش سیال از طریق مدولها انجام میگیرد و فقط قسمت اندکی از ان مخزن اولیه باز می گردد . یک سیستم حسگر عملیات باز و بسته شدن دریچه های خودکار را کنترل می کند و هم زمان با خروج مقداری فاز ماندگار از چرخه , مقداری سیال جدید به مخزن اولیه وارد می گردد . این عملیات بدون توقف خط تولید انجام می شود و به صورت تناوبهای کنترل شده خروج فاز ماندگار و ورود مایع تغذیه شونده , تحت کنترل قرار می گیرد . بنابراین این روش تقریبا مشابه فرایند مداوم می باشد , ولی ورود خوارک _ مایع تغذیه شوند ه ) و خروج فاز ماندگار بصورت تناوبی در دور های معین انجام می پذیرد .

 

این روش از عملیات نیز دارای مزایا و معایبی به شرح ذیل می باشد .

 

مزایا :

1 – انعطاف پذیری 2_ توقف کوتاه مدت سیال فرایند شونده در کارخانه

3 _ افزایش خروجی 4 _ مصرف انرژی کمتر در مقایسه با عملیات مرحله ای

معایب :

1 _ گرفتگی ف ی ل ت ر ها در این روش سریعتر از روش مرحله ای اتفاق می افتد .

2 _ مایع تغلیظ شدنی بصورت مداوم تولید نمی شود .

3 _ تراوایی کتری در مقایسه با عملیات مرحله ای

4 _سطح غشا مورد نیاز بیشتر است .

 

عملیات مداوم :

در عملیات مداوم ( ورودی و خروجی چند مرحله ای ) کل سطح غشای فراپا لایش به چندین مرحله تقسیم شده که این مراحل به صورت ردیفی ( سری ) پشت سر هم دیگر قرار گرفته اند . هر مرحله ای دارای یک ورودی و یک خروجی جدا گانه می باشد . بنابراین سیال ورودی در درون یک حلقه انقدر چرخش داد ه می شود تا به غلظت معین برسد . مایع تغلیظ شده حاصله از مرحله اول مجددا وارد حلقه چرخش مرحله دوم شده و انقدر در این مرحله به چرخش در می اید تا به غلظت معین بالاتری برسد و این عملیات بطور مداوم در مراحل بعدی تکرار می شود . تا اینکه سرانجام در مرحله اخر غلظت نها یی مورد لزوم برسد . در این سیستم نقص پایین بودن تراوا یی ( مانند عملیات ورودی و خروجی تک مرحله ای ) برطرف شده و ماهیت مداوم عملیات نیز حفظ شده است .

 

مزایا :

· توقف کوتاه مدت سیال

· مایع تغلیظ شد نی بطور مداوم تولید می گردد .

· مصرف انرژی اقتصادی تر است .

 

معایب :

· غیر قابل انعطاف , کارخانه تک منظوره است

محاسبه سطح غشای لازم در کارخانه فراپالایش چند مرحله ای ساده نمی باشد و علل ان عبارتند از :

· معمولا معادلات بر اساس عملکرد مرحله ای یا سیستم نیمه مداوم انجام می پذیرد و هر کدام از این عملیات محدودیت هایی در ارتباط با شبیه سازی عملیات به سیستم مداوم دارند .

 

· گرفتگی غشا ها در مراحل مختلف در این سیستم متفاوت می باشد . در مرحله اول , گرفتگی محسوس تر است , بنابراین کاهش سریع ترا وایی را در اولین مرحله می توان انتظار داشت در صورتی که ظرفیت مراحل اخر تقریبا بدون تغییر باقی می ماند .

 

معادلات ریاضی و برنامه های رایانه ای متعددی طراحی شده اند تا سطح غشا و تعداد مراحل کار خانجات فراپا لایش مداوم را محاسبه می نمایند . دقت این محاسبات به شباهت عملکرد و اقعی سیستم به فرضیات ارائه شده بستگی دارد.

 

سطح کل غشا ء :

در عملیات مداوم سطح کل غشا را می توان به طریق ذیل محاسبه نمود :

1 _ ساده ترین روش محاسبه که توسط ( Cheryan ) در سال 1987 ابداع شده بر این پایه استوار است که سطح غشا ئ مراحل مختلف با هم برابر بوده و عملکرد هر مرحله نیز تقریبا مشابه عملیات مر حله ای (Bactch ) می باشد . نتیجتا سطح کلی غشا مشابه کار خانه ای می شود که به صورت عملیات تک مر حله ای عمل می نماید . برای مثال چنا نچه در مثال فبلی از کارخان های استفاده شود که سه مر حله ای باشد در هر مرحله ما 12 متر مربع غشا خواهیم داشت . برای این که بهترین غشا را داشته باشیم بایستی مقدار پساب تو لید شده در هر مرحله را مطا بق با ترا وا یی عملیات ان مر حله محاسبه نمود . با فرض این که در مرحله سوم با غلظت 20 برابر , ترا وایی 40 لیتر در ساعت داشته باشیم و در مراحل دوم و اول با غلظت 10 و 5 بابر به ترتیب ترا وایی های 55 لیتربر ساعت و 65 لیتر بر ساعت داشته باشیم مقدار پساب تولید شده را می توان به طریق ذیل محاسبه نمود .

لیتر در ساعت 480 = 12 * 40 = سومین مر حله

لیتر در ساعت 660 = 12 * 55 = دومین مرحله

لیتر در ساعت 780 = 12 * 65 = اولین مر حله

لیتر در ساعت 1920 = (780 660 480 ) = کل پساب تولید شده

2 _ یک روش محاسبه پیچیده تر که توسط ( Hansen ) در سال 1985 پیشنهاد شده بر پایه رابطه موجود بین ترا وایی و قابلیت نفوذ مرا حل مختلف استوار است و مطابق فرمول ذیل محاسبه می شود :

( ECf - 1 ) ( DCL - 1 ) ACP - 1 k = w

BCP 1

در این معدله (,k E ,D ,B, A ) ضرایب ثابت هستند . (Cf, CL, CP ) به ترتیب غلظتهای چربی و لاکتوز و پروتئین در فاز ماند گار بوده است و ( w ) مقدار تراوایی است . ضرایب ثابت را می توان از طریق اطلا عات بدست امده از ازمایشات مر حله ای محاسبه نمود . معادله پیچیده دیگری نیز وجود دارد که محلول بر اساس قابلیت نفوذ شش جزء مختلف استوار است ( پروتئین , چربی , نمکهای کلوئیدی و نمکهای محلول و ازت غیر پروتئینی ) . ( Hansen ) در سال 1985 روش محاسبه سطح غشای لازم برای معادله فوق را تشریح نمود ه است . اگر قرار باشد فاز ماندگاری با درصد بالای پروتئین تولید شود مقدار چربی و نمکهای پس زده تعین کنده مقدار پروتئین قابل دستیابی در فاز ماندگار می باشند . یک برنامه رایانه ای برای محاسبه غلظت و ظرفیت مر حله اول بکار گرفته می شود که بر پایه محاسبه مقدار مایعی فرایند شونده در هر ساعت قرارد ارد . برای دستیابی به غلظت مورد نظر در محصول نهایی مراحل بیشتری اضافه می گردد و به این ترتیب اندازه کار خانه (uf ) تعین می گردد.