توضیحات

پروژه شبیه سازی جداسازی ترکیبات آلی فرار بنزن، توئولن و زایلن(BTX) در برج تقطیر در نرم افزار اسپن پلاس(ASPEN PLUS)

ترکیبات BTEX:

امروزه مقدار زیادی از ترکیبات آلی فرار(VOCs) از فرآیندها و کارخانجات صنعتی به اتمسفر منتشر می شوند. این ترکیبات نقش مهمی در شیمی اتمسفر دارند. درواقع ترکیبات VOC گروهی از آلاینده ها هستند که به علت ایجاد اختلال در شرایط اتمسفر کره زمین، عامل نگرانی زیست محیطی جهانی شده اند. ترکیبات BTEX گروهی از مواد آلی فرار( VOCs) هستند که به طور وسیعی در صنعت استفاده می شوند و تاثیرات مختلف جدی بر روی کیفیت هوا می گذارند و منابع آب و هوا را آلوده می نماید. این مواد شامل آروماتیک های بنزن، اتیل بنزن، تولوئن، و زایلن می شوند که ترکیبات اصلی بسیاری از مشتقات نفتی هستند.

از ترکیبات BTEX برای تولید مواد شیمیایی از جمله مونومرها، نرم کننده ها در پلیمر استفاده می شود و همچنین به طور وسیعی به عنوان حلال صنعتی به کار می روند. بخارات BTEX در حین تولید، حمل و نقل، مصرف و … در اتمسفر منتشر می شوند. گسترش بخارات BTEX در محیط زیست می تواند سبب آسیب به سیستم های عصبی، تنفسی، ژنتیک و دفع و … جانداران شود. اما علیرغم تمام اثرات سوء، BTEX به علت کاربردهای وسیعی که دارد، بسیار مورد استفاده قرار می گیرد. در میان این ترکیبات بنزن به عنوان سرطانزاترین جزء شناخته شده است.

بنزن:

بنزن مایعی است بی رنگ با ظاهری شفاف، خوشبو و فرار که با شعله زرد رنگ همراه با دود می سوزد، متعلق به خانواده هیدروکربنهاست و هر مولکول آن شش اتم کربن وشش اتم هیدروژن دارد که یک آرایش حلقوی را به وجود می آورد و فرمول مولکولی آن C₆H₆ می باشد. این آرایش حلقه بنزن نامیده می شود که در بسیاری از ترکیبات نیز وجود دارد. استنشاق میزان زیادی از بنزن می تواند باعث مرگ شود. مقادیر بالای بنزن می تواند باعث خواب آلودگی، سرگیجه، افزایش ضربان قلب، سردرد، تومورها و بیهوشی شود. همچنین بنزن اثرات مضری روی مغز استخوان و کاهش گلبول های قرمز خون دارد که باعث کم خونی می شود.

بنزن کاربرد گسترده ای داشته به طوریکه در تهیه اتیل بنزن(استایرن، پلی استایرن)، دو دسیل بنزن(در ساخت شوینده ها)، سیکلوهگزان(کاپرولاکتام، نایلون)، کومن(فنل، رزین های فنلی)، نیتروبنزن(آنیلین، مواد رنگی)، انیدرید مالئیک(پلی استر)، کلروبنزن، آلکیل بنزن ها(مواد پاک کننده)، بنزن هگزاکلرید، بنزن سولفونیک اسید و حلال ها به کار می رود.

تولوئن:

تولوئن از هیدروکربن های آروماتیک است و به مقدار زیادی در قطران زغال سنگ یافت می شود. مایعی بیرنگ و آتشگیر است و به عنوان حلال در صنایع مختلفی چون رنگ و رزین و همچنین به عنوان دارویی استنشاقی برای زدودن سموم کاربرد دارد. فرمول شیمیایی آن C7H8 می باشد. اما سمیت آن در مقایسه با بنزن بسیار کم است. هرچند غلظت بسیار بالایی لازم است تا تنفس تولوئن منجر به مرگ شود، اما غلظت های کمتر آن به راحتی بر روی سیستم عصبی تاثیر می گذارند. غلظت های کم تا متوسط تولوئن، سبب خستگی، سرگیجه، ضعف، رفتار نامتعادل، نقصان حافظه، بی خوابی، کم اشتهایی و کم شدن دید و شنوایی می گردد. این حالت ها با از بین رفتن حضور تولوئن، کم می شوند. تولوئن ممکن است بر کلیه اثر نامطلوب بگذارد. هیچ مدرکی دال بر سرطانزابودن تولوئن در دست نیست.

کاربرد عمده تولوئن در تولید بنزن از طریق دی الکیلاسیون و یا تولید همزمان بنزن و زایلین ها با واکنش دیزپروپرشینیشن است. گذشته از آن از تولوئن می توان در تهیه بنزالدهید، اسید بنزوئیک، فنل، تری نیترو تولوئن نیز استفاده نمود. تولوئن یک حلال آلی قوی است و کاربردهای زیادی در صنایع رنگ، رزین های پوششی، چسب، خمیرهای درزگیری، جوهرهای چاپ، پاک کننده های فلزی و سموم دارد. سایر مصارف این ماده در تولید تولوئن دی ایزوسیانات، فنل، کاپرولاکتام، اسید بنزوئیک، بنزیل کلراید، وینیل تولوئن، تولوئن سولفونیک اسید و تولوئن سولفونیل کلراید است.

اتیل بنزن:

اتیل بنزن با فرمول شیمیایی C810 نیز جزو هیدروکربن های آروماتیک می باشد و مظنون به سرطانزایی می باشد.

زایلن:

زایلن یا دی متیل بنزن نیز با فرمول شیمیایی C8H10 جزو هیدروکربن های آروماتیک و سرطانزا می باشد و حالت فیزیکی مایع و بیرنگ و بوی مشخصی دارد. در همین راستا، به منظور پایبندی به مقررات محلی و دولتی برای حفاظت از محیط زیست و کیفیت هوا در کارخانجات صنعتی، این مواد شیمیایی سمی باید قبل از رها شدن در اتمسفر، کاملا حذف شده یا غلظت آنها کاهش یابد.

یک نمونه عادی از مخلوط زایلین ها حاوی ۲۰ درصد ارتوزایلین، ۴۲ درصد متازایلین، ۱۸ درصد پارازایلین و ۲ درصد اتیل بنزن است. مصرف عمدة این ترکیب به عنوان حلال آلی در صنایع چسب و رنگ می باشد. در میان حلال های آلی بیشترین سهم متعلق به هیدروکربن ها است که در این میان یک سوم آن را حلال های آروماتیکی تشکیل می دهند. در ده سال گذشته به دلیل مسائل زیست محیطی استفاده از حلال های آلی سیر نزولی داشته ولی با این وجود از این حلال ها به طور گسترده در صنایع رنگ، رزین های پوششی، چسب، جوهرهای چاپ، رزین های آلکید و خمیرهای درز گیری استفاده می شود.

ترکیبات آلی فرار(VOCs):

طبق تعریف EPA ( ترکیبات آلی فرار یا VOC) محصولات پایداری بوده که دارای فشار بخار بیش از 0.1 میلیمتر جیوه(mm Hg  ) در شرایط محیطی می باشند. این ترکیبات مایعات یا جامدات دارای کربن آلی بوده که با سرعت زیادی تبخیر می شوند. این ترکیبات بعد از ذرات معلق بیشترین فراوانی و تنوع نشر را دارا می باشند. VOCها مشتقاتی از هیدروکربن های آلی هستند که در هوا به صورت بخارات آلی تبخیر می شوند. هیدروکربن ها مولکول هایی هستند که شامل هیدروژن و کربن می باشند. ترکیبات آلی فرار در سوخت های حلال ها، رنگ ها، جلا دهنده های شیمیایی، مرکب ها، چسب ها، حشره کش ها، آفت کش ها وجود دارند. هیدروکربن های با ۱ تا ۴ اتم کربن در فشار و دمای عادی به صورت فاز گازی می باشند. هیدروکربن های با ۵ تا ۱۲ اتم کربن در دما و فشار عادی در فاز مایع یا جامد می باشند. هیدروکربن ها براساس فرم پیوند های کربن در مولکول به گروه های مختلف تقسیم بندی می شوند. الکان ها هیدروکربن هایی هستند که تمامی اتم های کربن آن ها به صورت پیوند یگانه می باشند، متان، اتان، پروپان زیر مجموعة الکان ها می باشند. الکن ها یا الفین ها هیدروکربن های الیفاتیک با باند دوگانه کربنکربن می باشند از این دسته می توان اتن و پروپن را نام برد. الکین ها مولکول های با باند سه گانه می باشند. استیلن و پوتین و پنتین نمونه هایی از الکین ها می باشند. آروماتیک ها هیدروکربن های با ساختار حلقوی بر پایه بنزن (C6H6) می باشند. ۶ اتم کربن با یک پیوند هیدروژن برای هریک از کربن ها به صورت حلقوی قرار گرفته اند. با جایگزینی یک یا چند اتم هیدروژن با گروه متیل یا اتیل سایر هیدروکربن های آروماتیک از جمله تولوئن (C6H5CH3) و P-زایلن(C6H4(CH3)2) تشکیل می شوند. هیدروکربن های کلرینه شده یا برم دار نیز ترکیباتی هستند که اتم کلر یا برم جانشین اتم هیدروژن شده است.

نرم افزار اسپن پلاس(ASPEN PLUS):

باتوجه به رشد روزافزون صنایع شیمیایی و فرآیندهای نفت، گاز و پتروشیمی استفاده از نرم افزارهای مهندسی برای شبیه سازی و ارزیابی واحدها گریز ناپذیر است. به کمک این نرم افزارهای شبیه ساز می توان واحدهای پیچیده ای همچون پالایشگاه ها را نیز مدل سازی و شبیه سازی کرد. از کاربردهای نرم افزار اسپن پلاس در صنعت می توان به طراحی، توسعه، بهبود شرایط عملیاتی و بهینه سازی فرآیندهای پتروشیمیایی و پالایشگاهی اشاره کرد. یکی از مهم ترین و جامع ترین نرم افزارها در این زمینه، نرم افزار اسپن پلاس می باشد که بخش عمده ای از نیازهای مهندسین شیمی را برطرف می کند. نقطه قوت نرم افزار اسپن پلاس نسبت به سایر نرم افزارهای شبیه سازی، بانک اطلاعاتی قوی این نرم افزار در زمینه خواص فیزیکی و شیمیایی جامدات، مایعات و گازها می باشد. همچنین امکان طراحی و شبیه سازی واحدهای فرآیندی پلیمری و فرآیندهای جامد، ویژگی دیگری می باشد که اسپن پلاس را نسبت به سایر نرم افزارها متمایز می کند. عمدتا اسپن پلاس به دلیل پایگاه اطلاعاتی مناسب برای مواد جامد نامتعارف پیشگام است.

قابلیت های نرم افزار اسپن پلاس:

• دقت و سرعت بالا در محاسبه پیچیده ترین مسائل فرآیندهای شیمیایی
• پشتیبانی از اکثر فرآیندهای نفت، گاز، پتروشیمی، فرآیندهای الکترولیتی، دارویی و …
• طراحی دقیق و پیشرفته تجهیزات فرآیندی همچون برجها، راکتورها، مبدل های حرارتی و …
• قابلیت شبیه سازی فرآیندهای پلیمری
• قابلیت شبیه سازی فرآیندهای مربوط به مواد جامد
• امکان شبیه سازی تجهیزات و فرآیندهای غیر ایده آل
• امکان شبیه سازی فرآیند به صورت پایا و دینامیک
• امکان تغییر در شرایط و پارامترهای عملیاتی فرآیند و بهبود آنها
• امکان آنالیز و تحلیل و پارامترهای مختلف فرآیند توسط نمودارهای مختلف و بهینه سازی آن پارامترها
• امکان کدنویسی در تمامی قسمت های نرم افزار توسط زبان برنامه نویسی فورترن.

شرح پروژه:

در این پروژه شبیه سازی جداسازی ترکیبات آلی فرار بنزن، توئولن و زایلن(BTX) در برج تقطیر در نرم افزار اسپن پلاس(ASPEN PLUS) انجام شده است.

شبیه سازی فرآیند:

نتایج شبیه سازی فرآیند: