21

MIDHAT SULJKANOVI1

MILOVAN JOTANOVI2 ELVIS AHMETOVI1

NIDRET IBRI1 1Tehnoloki fakultet, Univerzitet u Tuzli, Tuzla, Bosna i Hercegovina

2Tehnoloki fakultet Zvornik, Univerzitet u Istonom Sarajevu,

Bosna i Hercegovina

NAUNI RAD

UDK 66.065.32/.5:544

DOI: 10.2298/HEMIND1001021S

VIEVARIJANTNI SIMULATOR PROCESA HLAENJA TROKOMPONENTNOG ELEK-TROLITIKOG SISTEMA U VAKUUMU

U ovom radu prezentirana je metodologija razvoja vievarijantnog simulatora za pro-cese hlaenja viekomponentnih elektrolitikih sistema u vakuumu. Metodologija pod-razumijeva simulaciju procesa hlaenja, s ciljem koritenja dijela entalpije sistema, a takoer omoguava utvrivanje i simulaciju fiziki provedivih alternativa za procese hlaenja uz kristalizaciju soli ili smjee soli. Za sluajeve kada parametri polaznog sistema ne obezbjeuju kristalizaciju ciljne soli, u trivijalnoj strukturi, kreirana meto-dologija utvruje uslove pri kojima se podsistem kondicioniranja, sa podsistemom kristalizacije integrie u aciklinu odnosno ciklinu strukturu. Karakteristike razvijene metodologije i vievarijantnog procesnog simulatora pokazane su na nizu primjera vezanih za hlaenje sistema NaClCaCl2H2O odnosno NaClKClH2O.

Procesi adijabatskog hlaenja sistema, uslijed sma-njenja njegovog pritiska, iroko su zastupljeni u proces-noj industriji i predstavljaju elemente ili podsisteme se-paracionih procesa: produkcija pitke vode iz morske vo-de, vakuum kristalizacija, otparavanje lakih kompone-nata u destilacionim procesima, a takoe su prisutni i pri generisanju sekundarnih energenata utiliziranjem ental-pije otpadnih tokova [14].

Vakuum kristalizacija je u industrijskim razmje-rama jedna od najee primjenjivanih kristalizacionih tehnika kako pri kristalizaciji individualnih kompone-nata tako i u procesima frakcione kristalizacije iz vie-komponentnih elektrolitikih sistema. Rjeavanje bilo kog zadatka vezanog za kompjutersku analizu i sintezu kris-talizacionih procesa iz viekomponentnih elektrolitikih sistema, zahtijeva razvoj vievarijantnog procesnog si-mulatora adijabatskog hlaenja elektrolitikog sistema.

Pri razvoju procesa, u ijem se polaznom zadatku ne starta sa procesnom strukturom fiziki provedivog procesa, loginu granicu stepena sloenosti modela va-kuum kristalizatora, kao elementa ili podsistema, pred-stavlja mogunost utvrivanja parametara svih proces-nih tokova, vezanih sa vakuum kristalizatorom, na osno-vu bilansnih relacija i relacija ravnotee u viekompo-nentnim sistemima.

Za analizu i sintezu procesnih struktura kristaliza-cionih procesa, kao predmet interesa ovih istraivanja, postavljen je razvoj modelirajueg bloka vievarijant-nog simulatora za proces hlaenja elektrolitikih siste-ma u vakuumu sa posebnim fokusom na procese hla-enja praene kristalizacijom. Osnovni cilj istraivanja, pored navedene vievarijantnosti u simulaciji procesa adijabatskog hlaenja, vezan je za kreaciju metodologije za utvrivanje uslova fizike provedivosti procesa vaku-um kristalizacije koja supstituie primjenu priblinih grafo-analitiih metoda.

Autor za prepisku: M. Suljkanovi, Tehnoloki fakultet, Univerzitet u Tuzli, Univerzitetska 8, 75000 Tuzla, Bosna i Hercegovina. E-pota: midhat.suljkanovic@untz.ba Rad primljen: 10. septembar 2009. Rad prihvaen: 27. oktobar 2009.

Formulacija polaznog zadatka Za trokomponentni elektrolitiki sistem AXBX

H2O, sa poznatim vektorom parametara, potrebno je kreirati vievarijantni procesni simulator hlaenja sis-tema u vakuumu, i razviti metodologiju za utvrivanje fiziki provedivih procesnih alternativa za kristalizaciju ciljne komponente. Prezasienje sistema, u odnosu na ciljnu komponentu AX, ostvaruje se hlaenjem ili pred-hodnim koncentriranjem polaznog sistema. Na funkcio-nisanje procesnog sistema postavljena su ogranienja ve-zana za minimalni pritisak u procesu hlaenja i maksi-malnu temperaturu kondicioniranja polaznog sistema.

Hlaenje sistema u vakuumu Procesi hlaenja sistema u vakuumu, praeni su is-

paravanjem vode pri emu se potrebna energija za ispa-ravanje, zbog ogranienja o adijabatskom provoenju procesa, obezbjeuje na raun entalpije sistema to za jednu od posljedica ima njegovo hlaenje [5].

Zavisno od prirode i parametara elektrolitikog sis-tema kao i pritiska na koga sistem ekspandira mogui su slijedei procesi:

a) sistem ekspandira na pritisak koji je vei ili je, u graninom sluaju, jednak pritisku koji odgovara ravno-tenoj temperaturi za sastav ohlaenog sistema. Sistem se u procesu hlaenja koncentrie u odnosu na obje soli, i na izlazu iz procesne jedinice predstavlja homogeni teni sistem. Navedeni procesi hlaenja u realnim uslo-vima pored produkcije pitke vode iz morske vode, veza-ni su za utiliziranje toplotne energije iz otpadnih elek-trolitikih sistema,

b) ekspanzija sistema se izvodi na pritisak koji je manji od pritiska pri kome sistem postaje zasien u od-nosu na komponentu AX. U procesu hlaenja se ostva-ruje prezasienje sistema po komponenti AX, to uzro-kuje njenu kristalizaciju i

c) ekspanzija se izvodi na pritisak koji je manji od pritiska pri kome sistem postaje zasien u odnosu na obje soli; iz sistema kristalie smjea soli AX i BX.

Procesi adijabatskog hlaenja elektrolitikog sis-tema, u ravnotenom dijagramu sistema AXBXH2O,

M. SULJKANOVI i sar.: VIEVARIJANTNI SIMULATOR PROCESA HLAENJA... Hem. ind. 64 (4) 2133 (2010)

22

predstavljeni su na slici 1. Prezentacija procesnog puta adijabatskog hlaenja sistema u ravnotenom dijagramu viekomponentnih elektrolitikih sistema ima samo kva-litativni karakter budui da je, u ovom sluaju, konano stanje sistema nemogue odrediti primjenom grafo-ana-litikih metoda. Istina, da je proces hlaenja sistema praen isparavanjem dijela prisutne vode, zahtijeva si-multano rjeavanje sistema jednaina materijalnog i top-lotnog bilansa i jednaina fazne ravnotee za proces hla-enja [6].

Slika 1. Kvantitativni prikaz procesa adijabatskog hlaenja u ravnotenom dijagramu sistema AXBXH2O; 12, ekspanzija nezasienog sistema na pritisak manji od pritiska zasienja; 345, ekspanzija nezasienog sistema uz kristalizaciju soli AX; 67, ekspanzija nezasienog sistema uz kristalizaciju smjee soli AX i BX. Figure 1. Quantitative representation of the adiabatic cooling process in equilibrium diagram of the AXBXH2O system; 12, expansion of unsaturated system to a pressure lower then the saturation pressure; 345, expansion of unsaturated system with the crystallization of a salt AX; 67, expansion of unsaturated system with the crystallization of a mixture of salts AX and BX.

Naime, proces hlaenja sistema u adijabatskim uslovima zavrava u stanju koje se ne moe, kao to je to sluaj pri tretmanu sistema preko kontaktne povrine, utvrditi primjenom uobiajenih grafo-analitikih metoda.

Matematiki opis makroskopskih procesa hlaenja sistema u vakuumu

Viekomponentni elektrolitiki sistem AXBXH2O sa zadatim vektorom parametara, adijabatskom ekspan-zijom u vakuum postaje pri nekoj vrijednosti pritiska za-sien u odnosu na komponentu AX. Stanje zasienja se postie kombinacijom efekta koncentrisanja sistema us-lijed isparavanja dijela prisutne vode i efekta smanjenja rastvorljivosti soli sa smanjenjem temperature (za soli sa pozitivnim koeficijentom rastvorljivosti).

Na slici 2 predstavljena je trivijalna procesna struk-tura procesa hlaenja, viekomponentnog elektroliti-kog sistema, njegovom ekspanzijom u vakuum. Struk-tura ukljuuje procese hlaenja sa i bez kristalizacije.

Kada je u pitanju samo hlaenje sistema strukturu ini ekspanziona jedinica koja, sem sa pojnim tokom, sa oko-linom ima komunikaciju preko toka isparene vode (2) i tenog koncentrovanog sistema (3). U suprotnom, kad je proces hlaenja praen kristalizacijom, u procesnu strukturu ulazi i filter/centrifuga na kome se tok produk-cione suspenzije kristalizatora (3) separie na tok mati-nog rastvora (4) i kristalni produkt (5).

Slika 2. Trivijalna procesna struktura hlaenja viekompo-nentnog sistema u vakuumu; 1 pojni tok, 2 tok isparene vode, 3 tok koncentrovanog sistema/produkcione suspenzije, 4 tok matinog rastvora i 5 kristalni produkt. Figure 2. Trivial process structure of the multicomponent system cooling in vacuum; 1 feed stream, 2 stream of evaporated water, 3 stream of concentrated system/sus-penzion, 4 mother liquor stream and 5 crystallized product.

U strukturu sistema jednaina matematikog opisa procesa hlaenja uz kristalizaciju ulaze slijedee rela-cije:

Jednaina totalnog materijalnog bilansa ekspanzio-ne jedinice:

321 mmm += (1)

pri emu je im maseni protok i-tog procesnog toka. Jednaina materijalnog bilansa u odnosu na so AX:

)3(AX3

)1(AX1 cmcm = (2)

pri emu je )(AXic maseni udio soli AX u i-tom proces-

nom toku. Jednaina materijalnog bilansa u odnosu na so BX:

)3(BX3

)1(BX1 cmcm = (3)

M. SULJKANOVI i sar.: VIEVARIJANTNI SIMULATOR PROCESA HLAENJA... Hem. ind. 64 (4) 2133 (2010)

23

pri emu je )(BXic maseni udio soli BX u i-tom proces-

nom toku. Jednaina toplotnog bilansa:

3322KR11 hmHmQhm +=+ (4)

pri emu je KRQ toplotni tok uslijed kristalizacije soli, ih specifina entalpija i-tog tenog procesnog toka i iH

specifina entalpija i-tog parovitog procesnog toka. Sumarni toplotni tok usljed kristalizacije:

(BX)KR

(AX)KRKR QQQ += (5)

pri emu je (AX)KRQ toplotni tok uslijed kristalizacije soli AX, a (BX)KRQ toplotni tok uslijed kristalizacije soli BX.

Parcijalni toplotni tokovi usljed kristalizacije soli: (BX)KR

(BX)KR

(BX)KR

(AX)KR

(AX)KR

(AX)KR ; qmQqmQ == (6)

pri emu je (AX)KRm , (BX)KRm masene koliine soli AX i

BX; (AX)KRq , (BX)KRq specifina toplota kristalizacije soli

AX i