MC-0008 كيف تجمع عمود الجدار الفاصل التفاعلي بين التفاعل والفصل؟

التقطير التفاعلي بجدار فاصل تجمع بين التقطير التفاعلي والتقطير بجدار فاصل في وحدة واحدة. وتُعرف المعدات الأساسية باسم عمود ذو جدار فاصل تفاعلي, أو RDWC.

يتم في التقطير التفاعلي إجراء تفاعل كيميائي وفصل المكونات داخل العمود نفسه. أما التقطير بجدار فاصل فيتم فيه إضافة حاجز عمودي إلى العمود، بحيث يقسم القسم الأوسط إلى منطقة تقطير مسبق ومنطقة فصل رئيسية.

يجمع هذا التصميم بين وظائف جهاز التجزئة الأولي التقليدي وعمود التقطير الرئيسي في هيكل واحد.

وبالتالي، يمكن لنظام RDWC تنفيذ عمليات التفاعل والفصل الأولي وتنقية المنتج في وحدة واحدة. وقد يقلل ذلك من الحاجة إلى مفاعلات وأعمدة تقطير ومبادلات حرارية وسيطة منفصلة، مما يؤدي إلى تحسين كفاءة الطاقة، وتقليل المساحة التي تشغلها المعدات، وخفض التكلفة الرأسمالية، وتبسيط العملية.

ومن بين مزاياها الرئيسية ما يلي:

• الإزالة السريعة للمنتجات من منطقة التفاعل
• تقليل الاختلاط العكسي للمكونات ذات درجة الغليان المتوسطة
• تقليل عدد المرات التي تتكرر فيها خطوات التبخير والتكثيف
• انخفاض الطلب على التبريد الخارجي والتبادل الحراري الوسيط
• زيادة التكامل بين التفاعلات وعمليات الفصل متعددة المكونات

إن الوفورات في الطاقة التي يمكن تحقيقها ليست ثابتة. فهي تعتمد على نظام التفاعل، ودرجة نقاء المنتج المطلوبة، وصعوبة الفصل، وتوزيع البخار والسائل داخليًا، والعملية التقليدية المستخدمة كأساس للمقارنة.

الشكل 1. مسار التطوير من عمود التقطير التقليدي إلى عمود الجدار الفاصل التفاعلي. تشير المناطق الرمادية إلى مناطق التفاعل.

الشكل 2. الهيكل النموذجي لعمود الجدار الفاصل التفاعلي والمواقع المحتملة لمنطقة التفاعل.

الهيكل الأساسي لنظام RDWC

الشكل 3. الهيكل الأساسي لعمود نموذجي ذي جدار فاصل تفاعلي. I: قسم التصحيح المشترك؛ II: قسم التجزئة المسبقة؛ III: قسم الفصل الرئيسي؛ IV: قسم الاستخلاص المشترك.

يحتوي نظام RDWC النموذجي ذو الجدار الفاصل الأوسط على حاجز رأسي في الجزء المركزي من عمود التقطير.

يقسم الجدار الفاصل منتصف العمود إلى منطقتين:

• قسم التجزئة المسبقة: يقع على جانب التغذية ويقوم بالفرز الأولي لمزيج المواد الأولية
• قسم الفصل الرئيسي: تقع على الجانب المقابل وتضطلع بمسؤولية تنقية المنتج بشكل إضافي

تظل المساحات الموجودة فوق الجدار الفاصل وتحته متصلة ببعضها. وبالتالي، يمكن للأبخرة والسوائل من كلا الجانبين أن تتبادل عبر الأجزاء العلوية والسفلية المشتركة.

قسم التصحيح المشترك

يعمل القسم الموجود فوق الجدار الفاصل كقسم تقطير مشترك. حيث يتجمع البخار المتصاعد من كلا الجانبين في هذا القسم، مما يسمح بتكثيف المكونات الخفيفة تدريجيًّا قبل سحبها كمنتج علوي.

قسم إزالة الطلاء الشائع

يعمل القسم الموجود أسفل الجدار الفاصل كقسم فصل مشترك. حيث يتجمع السائل المتدفق من كلا الجانبين هنا، مما يسمح بتخصيب المكونات الثقيلة تدريجيًّا قبل إزالتها كمنتج قاعي.

بالنسبة لمزيج ثلاثي نموذجي، يتم عادةً استخلاص المكون ذي درجة الغليان المتوسطة كمنتج جانبي من قسم الفصل الرئيسي.

موقع منطقة التفاعل

قد تقع منطقة التفاعل في:

• قسم الفصل المسبق
• قسم الفصل الرئيسي
• قسم التعديل المشترك
• قسم التجريد المشترك
• أقسام متعددة في آن واحد

يعتمد الموقع المناسب على المكان الذي يتركز فيه المتفاعلات، ودرجة حرارة التفاعل المطلوبة، ودرجة تطاير المكونات، ومعدل التفاعل، واستقرار المحفز، ومتطلبات سحب المنتج.

أثبتت الدراسات المختبرية والتجريبية التي شملت أسيتات الإيثيل وأنظمة مشابهة استقرار التشغيل، مما يشير إلى أن هذا التصميم يتمتع بجدوى هندسية أساسية.

الشكل 4. التكافؤ الهيكلي بين تكوين «بيتليوك» المقترن حرارياً بالكامل وعمود الجدار الفاصل. PF: جهاز التجزئة الأولي؛ DC: عمود التقطير الرئيسي؛ DWC: عمود الجدار الفاصل؛ LIQ و VAP: تيارات الاقتران في الطور السائل والطور البخاري.

كيفية عمل التقطير باستخدام الحاجز التفاعلي

تنبع زيادة كفاءة العملية التي يحققها نظام RDWC بشكل أساسي من آليتين هما:

1. تحدث التفاعلات وعمليات الفصل في آن واحد.
2. يتم استخدام الطاقة الحرارية بشكل أكثر فعالية بين مرحلتي التجزئة المسبقة والفصل الرئيسي.

بالنسبة للتفاعل القابل للانعكاس:$$aA+bB\rightleftharpoons cC+dD$$

تؤدي الإزالة المستمرة للمنتجات من منطقة التفاعل إلى تحول التوازن نحو تكوين المنتج.

يمكن أن يتحرك المنتج الخفيف نحو قمة العمود، بينما يتحرك المنتج الثقيل نحو قاعه. أما المنتج ذو درجة الغليان المتوسطة فيمكن سحبه عبر مخرج جانبي.

يمنع هذا الفصل المستمر تراكم المنتجات في منطقة التفاعل. ويمكن أن يؤدي إلى زيادة معدل تحويل المواد المتفاعلة وتقليل كمية المواد غير المتفاعلة التي يجب إعادة تدويرها.

ومع ذلك، فإن تأثير تكثيف العملية هذا لا يتحقق إلا عند استيفاء عدة شروط:

• يجب أن تكون درجة حرارة التفاعل المطلوبة متوافقة مع منحنى درجات حرارة التقطير.
• يجب أن يكون معدل التفاعل مرتفعًا بدرجة كافية خلال فترة بقاء السائل المتاحة.
• يجب أن تتمتع المكونات بسلوك توازن مناسب بين الحالة البخارية والحالة السائلة.
• يجب أن يظل المُحفز نشطًا ومستقرًا ميكانيكيًا في ظل ظروف تشغيل العمود.
• يجب أن تتلقى مناطق التفاعل والفصل تدفقات مناسبة من البخار والسائل.

كيف يقلل الحائط الفاصل من استهلاك الطاقة

ومن الوظائف المهمة الأخرى للجدار الفاصل الحد من الحركة غير الضرورية للمكونات ذات درجة الغليان المتوسطة.

في العملية التقليدية ذات العمودين، قد يتبخر مكون وسيط أو يتكثف في العمود الأول، ثم يُفصل مرة أخرى في العمود الثاني. ويؤدي هذا التغير المتكرر في الحالة إلى زيادة أحمال جهاز إعادة التسخين والمكثف.

يقوم قسم الفصل المسبق بتوجيه المكون المتوسط نحو المنطقة المناسبة في قسم الفصل الرئيسي. وهذا يقلل من تكرار عمليات التبخير والتكثيف والخلط.

يمكن للجدار الفاصل أن يقلل من ظاهرة الاختلاط العكسي والتغيرات المتكررة في الحالة، لكنه لا يستطيع القضاء عليها تمامًا.

طرق إنشاء منطقة التفاعل

تُستخدم طريقتان رئيسيتان للتحفيز الكيميائي في نظام RDWC: التحفيز المتجانس والتحفيز غير المتجانس.

التحفيز المتجانس

في عملية التحفيز المتجانس، يُذوّب المُحفّز مباشرةً في الطور السائل.

يتيح هذا الترتيب تلامسًا وثيقًا بين المُحفِّز والمواد المتفاعلة. وغالبًا ما تكون معدلات التفاعل مرتفعة نسبيًّا، في حين تظل مقاومة انتقال الكتلة منخفضة.

ومع ذلك، قد يخرج المحفز من العمود مع المنتجات السائلة. وقد يتطلب الأمر عندئذٍ إجراء عمليات إضافية لفصل المحفز أو استعادته أو تحييده أو التخلص منه. كما أن بعض المحفزات المتجانسة قد تزيد أيضًا من مخاطر تآكل المعدات.

قد تؤدي هذه المتطلبات في المراحل النهائية إلى زيادة تعقيد العمليات وتكاليف التشغيل.

التحفيز غير المتجانس

في عملية التحفيز غير المتجانس، يتم الاحتفاظ بمحفز صلب داخل العمود. ويمكن تركيبه على النحو التالي:

• جزيئات المُحفز
• الحشوة الحفازة
• صواني التحفيز
• وحدات محفزات منظمة

تقل احتمالية خروج المحفز مع المنتج، مما يسهل عملية فصل المحفز عن المنتج. ولذلك، فإن هذا التصميم أكثر ملاءمة للتشغيل المستمر على المدى الطويل في العديد من التطبيقات.

يجب تصميم عملية تحميل المُحفز بعناية. فقد يؤدي التحميل المفرط الكثافة إلى تقييد تدفق البخار والسائل، مما يتسبب في سوء التوزيع، أو انخفاض مفرط في الضغط، أو حدوث فيضان.

قد يؤدي عدم كفاية كمية المحفز إلى قدرات تفاعل غير كافية، مما يقلل من معدل التحويل.

يجب أن يحقق التصميم التوازن بين:

• مخزون المُحفِّزات
• زمن بقاء السائل
• التلامس بين البخار والسائل
• أداء نقل الكتلة
• حركيات التفاعل
• مقاومة التدفق الداخلية
• انخفاض الضغط
• هامش الفيضانات

الإنزيمات المثبتة

تُعد الإنزيمات المُثبتة شكلاً آخر من أشكال التحفيز المدعوم. وغالبًا ما توفر هذه الإنزيمات انتقائية عالية في التفاعل وتعمل في ظروف معتدلة نسبيًا.

ومع ذلك، فقد تكون حساسة تجاه درجة الحرارة، وتركيبة المذيبات، ومحتوى الماء، والشوائب، وقوى القص. ولذلك، فإن استخدامها يتطلب تحكماً أكثر دقة في بيئة التشغيل.

التكوينات الرئيسية لنظام RDWC

يُعد تصميم الحائط الفاصل الأوسط هو الأكثر شيوعًا. فهو يحتفظ بقسم تقويم مشترك فوق الحائط وقسم فصل مشترك أسفله.

اعتمادًا على مهمة الفصل، قد يمتد الجدار إلى أعلى العمود أو أسفله، مكونًا بذلك تكوينًا لجدار فاصل علوي أو جدار فاصل سفلي.

ينتج عن كل ترتيب نمط مختلف من التوصيل الحراري ومسار مختلف لسحب المنتج. وينبغي أن يراعي الاختيار ما يلي:

• تسلسل فصل المكونات
• الموضع المطلوب لمنطقة التفاعل
• مهام جهاز إعادة التسخين والمكثف
• انخفاض الضغط الداخلي
• نقاء المنتج
• توزيع البخار والسائل
• القدرة على التحكم الديناميكي

الشكل 5. الترتيبات النموذجية للجدران الفاصلة: (أ) تكوين الجدار الفاصل الأوسط؛ (ب) تكوين الجدار الفاصل السفلي؛ (ج) تكوين الجدار الفاصل العلوي.

التكوينات بناءً على موضع منطقة التفاعل

كما يمكن تصنيف أنظمة RDWC وفقًا لموقع منطقة التفاعل.

التجزئة المسبقة - التفاعلات الجانبية

يتم تركيب منطقة التفاعل على جانب الفصل المسبق. ويتيح هذا الترتيب استمرار التفاعل بينما تخضع المادة المغذية لعملية الفصل الأولي.

قد يكون ذلك مناسبًا عندما يوفر قسم التجزئة المسبقة التركيب ودرجة الحرارة المطلوبين للتفاعل.

التفاعل الرئيسي - التفاعل الجانبي

يتم تركيب منطقة التفاعل في قسم الفصل الرئيسي. وعندما تكون علاقات التطاير ومواقع سحب المنتجات مناسبة، يمكن تنقية المنتجات فور تكوينها.

تفاعل ثنائي الجوانب

يتم تركيب مناطق التفاعل على جانبي الجدار الفاصل. ويؤدي هذا التكوين إلى زيادة حجم التفاعل المتاح، لكنه يخلق تفاعلات أقوى بين درجة الحرارة، والتركيب، وانخفاض الضغط، ومعدل التفاعل، وتوزيع البخار والسائل.

كما أن درجة التكامل العالية التي يتميز بها تجعل عملية التصميم والتحكم أكثر صعوبة.

الشكل 6. الترتيبات النموذجية لمناطق التفاعل في نظام RDWC: (أ) تفاعل في جانب التجزئة المسبقة؛ (ب) تفاعل في جانب الفصل الرئيسي؛ (ج) تفاعل ثنائي الجانب. تشير المناطق الرمادية إلى مناطق التفاعل.

تكوينات متقدمة لنظام RDWC

قد تتطلب الأنظمة التي تحتوي على خليط أزيوتروبي أو مكونات ذات تطاير نسبي منخفض استخدام مادة جاذبة أو مذيب استخلاصي. وفي مثل هذه الحالات، يمكن الجمع بين التقطير التفاعلي والفصل الاستخلاصي باستخدام الحاجز الفاصل.

وقد تستخدم الأنظمة المعقدة متعددة المكونات أيضًا تصميمات ذات جدران مزدوجة أو متعددة.

توفر هذه التصاميم المتطورة درجة أعلى من تكامل العمليات، لكنها تزيد أيضًا من صعوبة:

• توزيع البخار والسائل
• موازنة انخفاض الضغط
• تصميم المعدات الداخلية
• تصنيع الأعمدة
• التحكم الديناميكي في العمليات
• التشغيل والإيقاف
• تشخيص الأعطال

الشكل 7. تكوينات الجدران الفاصلة التفاعلية عالية التكامل: (أ) عمود الجدار الفاصل الاستخلاصي التفاعلي؛ (ب) عمود الجدار الفاصل المزدوج التفاعلي. يُدرج التكوين الاستخلاصي مادة حاملة لتعديل الطفو النسبي وتحسين الفصل الأزيوتروبي. ويخلق التكوين ذو الجدار المزدوج مناطق داخلية إضافية لدمج التفاعل والفصل متعدد المكونات، ولكنه يزيد أيضًا من تعقيد توزيع البخار والسائل، وموازنة انخفاض الضغط، والتحكم في العملية.

الخاتمة

تدمج عمودية الجدار الفاصل التفاعلية بشكل منهجي مناطق التفاعل ومناطق الفصل والتدفق الداخلي للبخار والسائل داخل غلاف واحد.

وتشمل فوائدها المحتملة انخفاض استهلاك الطاقة، وزيادة كفاءة التحويل، وتحسين تنقية المنتج، وتقليل عملية إعادة التدوير، وتقليل المساحة التي تشغلها المعدات، وتقليل عدد المبادلات الحرارية الخارجية.

ولا يمكن تحقيق هذه المزايا إلا عندما:

• درجات حرارة التفاعل والتقطير متوافقة.
• تتوافق حركية التفاعل مع زمن البقاء المتاح.
• التوازن بين البخار والسائل يساعد على تحقيق الفصل المطلوب.
• يظل المُحفز مستقرًا في ظروف العمود.
• يتم توزيع البخار والسائل بشكل صحيح على جانبي الجدار الفاصل.
• يظل انخفاض الضغط والسعة الهيدروليكية متوازنين.
• يمكن التحكم في النظام المتكامل في كل من حالات الاستقرار والحالات العابرة.

وبالتالي، فإن تقنية RDWC لا تقتصر مجرد إضافة جدار فاصل إلى عمود التقطير التفاعلي. ويتطلب ذلك تصميم التفاعل، وتسلسل الفصل، وترتيب المُحفِّزات، والنظام الهيدروليكي الداخلي، وتكامل الحرارة، واستراتيجية التحكم، باعتبارها نظامًا واحدًا منسقًا.