علم و دانش مهندسی شیمی

اندازه گیری توزیع زمان ماند جامدات در راکتور ها با استفاده از ردیاب‌های شیمیایی

محمدرضا فرزان
نوشته شده توسط محمدرضا فرزان

در مهندسی واکنش‌های شیمیایی به‌طور معمول دو وظیفه کلیدی وجود دارد، که شامل طراحی راکتور، پیش‌بینی اولیه عملکرد راکتور و ارزیابی عملکرد راکتور‌های موجود، می‌شود. از جمله روش‌های رایج در ارزیابی عملکرد راکتور، روش ردیابی است که به عیب‌یابی راکتورهای واقعی کمک می‌کند.
ردیابی به وسیله ردیاب‌های شیمیایی بر پایه کنترل کافی تعداد نقاط حساس است. انتخاب ردیاب، روش عددی و کیفیت نمونه‌گیری از نقاط حساس به‌شمار می روند. از مزایای این روش می‌توان به امکان استفاده از آن در واحد‌های صنعتی و نیمه صنعتی نام برد. همچنین ردیاب‌های شیمیایی زمانی‌که حرکت ‌ذرات متوقف می‌شود برای بررسی‌های دقیق توزیع ذرات به‌شدت کاربردی هستند. از طرفی این روش، نیاز به گسترش تولید و ساخت ردیاب و اندازه‌گیری غلظت ترکیبات مرجع دارد و همچنین به علت مشکلات ناشی از نمونه‌گیری، این روش برای سیستم‌های نسبتا کند مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در بسیاری از حوزه‌های علم و مهندسی با روش‌های ردیابی مواجه هستیم. از جمله استفاده‌های متعدد این روش می‌توان به اندازه‌گیری جریان خون، نفوذ پذیری مویرگی از میکروسیرکولاسیون در پزشکی، شبیه‌سازی در کانال‌ها و اطراف بال‌های هواپیما در مهندسی هوا و فضا و مکانیک اشاره کرد.

همچنین در اندازه‌گیری جریان و انتقال در رودخانه‌ها در علم آب‌شناسی، انتقال آلودگی در خاک در مهندسی عمران و اندازه‌گیری انتشار گازهای موجود در اتمسفر  در مهندسی محیط زیست نیز کاربرد دارد.

تمام این روش‌ها به ایجاد آشفتگی در سیستم تحت بررسی  و نحوه پاسخ سیستم به این آشفتگی، بستگی دارد. پس از به دست آوردن نتایج، این پاسخ‌ها مورد تحلیل و بررسی قرار می‌گیرد. برخی از نتیجه‌گیری‌های حاصل، وابسته به مدل هستند و برخی وابستگی به مدل ندارند.

طراحی راکتور برای واکنش‌های همگن

در مهندسی واکنش‌های شیمیایی به‌طور معمول دو وظیفه کلیدی وجود دارد:

  1. برای واکنش داده‌شده، طراحی راکتور و پیش‌بینی اولیه عملکرد راکتور لازم است.
  2. ارزیابی عملکرد راکتور‌های موجود و بررسی پیشنهادات جهت بهبود عملکرد نیز مورد نیاز است.

مورد اول مسئله طراحی و مورد دوم مسئله عیب‌یابی نامیده می‌شود.

روش ردیاب چگونه می‌تواند در حل این مسئله‌ها به ما کمک کند؟ می دانیم که عملکرد راکتور که با اندازه‌گیری میزان تبدیل واکنش‌گر محدود کننده و یا با انتخاب‌پذیری محصول مطلوب اندازه‌گیری می‌شود، تابعی از سینتیک، الگوی جریان و الگوی اختلاط درون راکتور است. پدیده جریان و اختلاط در هندسه راکتورها پیچیده است، و ما به دلیل هزینه‌های اقتصادی عملا مشخص نمودن آن به‌طور کامل امکان‌پذیر نیست.

تنها راکتورهایی که نحوه طراحی و پیش‌بینی عملکرد آنها شناخته شده است، راکتور هایی هستند که رفتاری مشابه راکتور ایده‌ال دارند. مانند راکتورهای PFR و  CSTR. اولی بر پایه فرض اختلاط سریع و کامل در مقیاس مولکولی در جهت عمود بر جریان و هیچگونه اختلاطی در جهت جریان است. دومی با فرض اختلاط سریع و کامل در مقیاس مولکولی و در تمام حجم راکتور است. در راکتور CSTR هیچگونه گرادیان غلظت وجود ندارد. روش ردیابی به عیب‌یابی راکتورهای واقعی کمک می‌کند.

ردیاب‌ها در ارزیابی اختلاط برگشتی گاز، تماس گاز-جامد، اختلاط برگشتی جامدات و توزیع زمان تماس  مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کاربرد زمان ماند در واحد عملیاتی جامدات

در مهندسی شیمی و رشته‌های مرتبط، توزیع زمان ماند به عنوان توزیع احتمالی زمانی که جامد و یا سیال در داخل واحد عملیاتی می‌ماند تعریف می‌شود. توزیع زمان ماند به عنوان یک شاخص مهم در فهم پروفایل جریان مواد و به طور گسترده در فرایندهای صنعتی، مانند فرایندهای پیوسته تولید محصولات شیمیایی، محصولات کشاورزی، کاتالیست‌ها، محصولات غذایی و پلیمرها مورد استفاده قرار می‌گیرد. به منظور دسترسی به خروجی رضایت‌بخش از یک واحد خاص صنعتی، مواد خام به گونه ای طراحی می‌شوند که در مدت زمان خاص، تحت شرایط عملیاتی قرار بگیرند. اطلاعات زمان ماند به طور معمول با زمان لازم برای انجام واکنش به طور کامل یا فرایند‌هایی در واحدهای عملیاتی یکسان، مقایسه می‌شود. به عنوان مثال، در فرایند مخلوط سازی پودرها به صورت پیوسته، پودر در یک مخلوط کن پیوسته، پودر می‌شود. سرعت کلی مخلوط کن همراه با مدت زمانی که پودر در داخل مخلوط کن می‌ماند، عملکرد واحد عملیاتی را مشخص می‌کند. در صورتی که زمان موردنیاز برای مخلوط کردن بیشتر از زمان ماند واقعی که پودر در داخل سیستم می‌ماند باشد، این سیستم مناسب برای افزایش مقیاس در اندازه‌های صنعتی نیست. به عبارت دیگر، عملکرد هر واحد صنعتی پیوسته، با هم‌آوری یک فرایند ناپیوسته یا واکنش غالب به وسیله یک جریان محوری مشخص می‌شود. بنابریان اولین گام برای طراحی، بهبود و یا افزایش مقیاس در بسیاری از صنایع شیمیایی، مشخص کردن توزیع زمان ماند یک واحد صنعتی پیوسته است.

تحقیقات بر روی توزیع زمان ماند در شاخه‎‌های مهندسی شیمی، بر تأثیر شرایط عملیاتی، مواد، اندازه واحد عملیاتی برروی پروفایل توزیع زمان ماند، بهبود روش های اندازه‌گیری، بهبود مدل‌های پیشگویی، متمرکز شده است.

روش‌های اندازه گیری توزیع زمان ماند

آزمون پاسخ محرک از رایج‌ترین روش‌های استفاده شده در اندازه‌گیری زمان ماند است. در این تست یک مرحله تزریق ردیابدر ورودی سیستم پیوسته انجام می‌گیرد و پروفایل پاسخ ردیاب در خروجی سیستم ثبت می‌شود. انتظار می‌رود که ردیاب انتخاب شده ویژگی‌های مشابه با مواد داخل سیستم را داشته باشد. برای مثال در یک راکتور بستر سیال گردشی که دانه‌های فلورسنت به عنوان جریان بالک مورد استفاده قرار می‌گیرد، ردیاب مورد نیاز از دانه‌های فعال مانند جریان بالک تولید شده است. بنابراین، مواد ردیاب، مشابه مواد بالک انتخاب می‌شوند.

شرط دیگر در آزمون پاسخ محرک، مرز ورودی و خروجی بسته است. این شرط، جریان غیر مستقیم و پراکندگی‌های بدون مرز را نیز تضمین می‌کند. به خصوص، در برخی از سیستم‌های با مرزهای باز، در صورتی که انتقال محوری سریعتر از پراکندگی باشد پراکندگی‌های مرزی را می‌توان ناچیز در نظر گرفت. (عدد پکلت بالا باشد). بنابراین، این آزمون هرچند با شرط شرایط مرزی بسته انجام می‌شود ولی می‌توان از آن برای سیستم‌های باز نیز استفاده کرد.

دو نوع تکنیک تشخیص ردیاب گزارش شده است: تشخیص درون‌خطیو برون‌خطی. تشخیص درون‌خطی به طور مستقیم سیگنال‌های چشمی، حرارتی یا الکتریکی ردیاب را از درون سیستم مشخص می‌کند و اطلاعات مربوط به آن را به صورت خودکار برای آنالیز بیشتر ثبت و ضبط می‌کند. این فرایند به نمونه‌گیری سریع، تبدیل سیگنال و فرایند نگه‌داری داده‌ها نیاز دارد. زمانی که یک یا تعداد بیشتری از این مراحل به صورت سریع نتواند انجام گیرد، روش تشخیص برون‌خطی استفاده می‌شود. به عنوان مثال، آنالیز تصویری دیجیتال، به سختی به صورت درون‌خطی استفاده می‌شود. به دلیل اینکه در این صورت استخراج ردیاب از تصاویر دیجیتالی به کندی صورت می‌گیرد.

در بسیاری از سیستم‌های فاز جامد، روش تشخیص برون‌خطی مورد استفاده قرار می‌گیرد. زیرا نمونه‌گیری از جامدات معمولا به کندی انجام می‌شود. رفتار نمونه‌های جامد مانند نامحلول بودن در ردیاب نمکی نیز منجر به استفاده از روش برون‌خطی می‌شود.

روش‌های ردیابی به دو صورت نوریو رساناییانجام می‌گیرد. تاکنون دو روش تشخیص نوری گزارش شده است. فرایند تصویربرداری دیجیتال و اندازه‌گیر رنگی که به طور مستقیم برای اندازه‌گیری و آنالیز رنگ تصاویر یا سیگنال از سنسور مورد استفاده قرار می‌گیرد. آنالیز فلورسانس نیز به این نوع روش تشخیص تعلق دارد، که بیشتر در محیط تاریک با سنسورهای دقیق مورد استفاده قرار می‌گیرد. از طرف دیگر سیستم‌های تشخیص هدایتی بر پایه تفاوت هدایت الکتریکی بین ردیاب و جریان بالک عمل می‌کنند. به عنوان مثال سدیم کلرید در آب دی‌یونیزه شده.

علاوه بر روش ردیابی، روش دنبال کردن ذرات، به عنوان یک روش جایگزین برای اندازه‌گیری زمان ماند مورد استفاده قرار می‌گیرد. روش‌هایی مانند PEPT، و کاربرد شبیه‌سازی CFD و DEM سبب گسترش اطلاعات زمان ماند و حرکت شمار زیادی از ذرات شده است. از آن‌جایی که هیچ ردیابی در این روش استفاده نمی‌شود، مشکلات مربوط به اختلال ردیاب نیز وجود ندارد. هرچند مشکلات دیگری در این روش وجود دارد، از جمله این‌که، داده‌ها و اطلاعات مربوط به آزمایش‌های پیگیری ذرات و محاسبات آن باید به دقت شبیه‌سازی و آزمایش‌ها ثبت شوند. داده‌های محاسبه شده قبل از شبیه‌سازی باید با انجام آزمایش اعتباردهی شود.

اندازه‌گیری توزیع زمان ماند جامدات با استفاده از ردیاب‌ شیمیایی

استفاده از ردیاب‌های شیمیایی بر پایه کنترل کافی تعداد نقاط حساس است. انتخاب ردیاب، روش عددی و کیفیت نمونه‌گیری از نقاط حساس به‌شمار می روند.

ردیاب باید توسط ترکیبات شیمیایی خود تمیز داده شود در حالی که تمامی خواص فیزیکی آن مشابه است.  اگر این‌گونه نباشد ذرات ردیابی نشده جامد یک بررسی متوسط ایجاد می‌کنند. در حالی که تفاوت در ترکیب یا ساختار اجزا  معمولا مورد استفاده قرار می‌گیرد، گاهی شناسایی حذف یا ترجیحا اضافه شدن یک عنصر خاص کار آسان‌تری است.

در شرایط آزمایش، واضح است که ردیاب نباید  تغییر فاز بدهد و با عناصر دیگر یا سیالات حاضر در سیستم واکنش دهد. روش‌های نمونه‌گیری به‌طور مستقیم بر درجه پاسخ تاثیر می‌گذارند.  این روش‌ها حساس بوده و معمولا منبع اصلی خطا هستند.  بنابرین باید با دقت بسیار بالا انتخاب و اعمال شوند.

مزایا

  1. این روش می تواند در واحدهای نیمه‌صنعتی و صنعتی مورد استفاده قرار گیرد، بویژه اگر شرایط عملیاتی شامل دمای بالا و یا فضای پرخطر و سمی باشد.
  2. نظر به اینکه آنالیزها معمولا خوب هستند و همچنین ردیاب‌ها بعضی اوقات شناسایی می‌شوند، اگر حساسیت بالا در شناسایی جریان های جانبی یا شکل‌گیری تیغه‌ها قابل چشم‌پوشی باشد، این روش بسیار ارزشمند است.
  3. ردیاب‌های شیمیایی زمانی‌که حرکت ‌ذرات متوقف می‌شود برای بررسی‌های دقیق توزیع ذرات به‌شدت کاربردی هستند. با نمونه‌گیری به تعداد کافی در محدوده مشخص، ترسیم نقشه دقیق محدوده‌ها امکان‌پذیر است.

معایب

  1. این روش، نیاز به گسترش تولید و ساخت ردیاب و اندازه‌گیری غلظت ترکیبات مرجع دارد.
  2. در این روش، اغلب نمونه‌گیری به خصوص در مورد نقاطی که از خروجی واحد عملیاتی دور از دسترس‌تر هستند یا مکان‌هایی که کم‌تر مورد توجه قرار می‌گیرند، به سختی انجام می‌شود.
  3. اندازه‌گیری به ندرت به صورت درون‌خطی انجام می‌گیرد و معمولا باید به صورت برون‌خطی، با فواصل نمونه‌گیری متفاوت و البته کمی دیرکرد در آنالیز انجام شود. طبیعتا این موضوع بازدارنده‌ای برای به دست آوردن نتایج است و به عنوان معایب این روش برشمرده می‌شود.
  4. علاوه بر این فرکانس یا مکان نمونه‌گیری به منظور گزارش نتایج به دست آمده به سرعت نمی‌تواند اصلاح شود.
  5. به علت مشکلات ناشی از نمونه‌گیری، این روش برای سیستم‌های نسبتا کند مورد استفاده قرار می‌گیرد.
  6. از آنجایی که، دسته‌بندی ذرات برچسب‌دار پس از پراکنده شدن در فاز گذرا مشکل است، در صورتی که نیاز به انجام آزمون‌های متعددی باشد، مقادیر زیادی از ردیاب مورد استفاده باید در دسترس باشند. در سیستم‌هایی که مواد جامد در یک مدار در حال گردش است، مقدار ردیاب به صورت فزاینده افزایش می‌یابد و این دقت آنالیز را به خطر می‌اندازد.

[تعداد رای:0]

درباره نویسنده

محمدرضا فرزان

محمدرضا فرزان

کارشناسی مهندسی نفت-بهره برداری
کارشناسی ارشد مهندسی شیمی-ترمودینامیک

درج دیدگاه