إعادة تدوير المتفاعلات Recycling Reactants

إعادة تدوير المتفاعلات Recycling Reactants

في الحقيقة ليس من الصحيح أن تعتقد أن المتفاعلات التي يتم خلطها في المفاعل سوف تتفاعل بأكملها وتتحول إلى نواتج فلا يوجد مفاعل نسبة التحول فيه مئة في المئة 100% Conversion ولتدرك ذلك دعنا نتخيل سلوك التفاعل منذ البداية ... ما الذي يحدث؟!! ... في البداية تبدأ المواد المتفاعلة بالاتحاد مع بعضها البعض ويكون هذا سهلاً في البداية لكن مع تكون النواتج يصبح الآن متواجد داخل المفاعل مواد متفاعلة + نواتج التفاعل وهذه النواتج تعيق من فرصة المتفاعلات على التفاعل مع بعضها البعض وهكذا مع استمرار ضخ المتفاعلات إلى المغفاعل واستمرار تكون نواتج جديدة تزادا صعوبة فرصة تلاقي المتفاعلات مع بعضها البعض ... ولذلك لا تتحول المتفاعلات بأكملها إلى نواتج وتكون النتيجة هلى خروج نسبة من المتفاعلات مع الناتج الخارج من المفاعل.

وهذا في حد ذاته يمل مشكلة فهو يعد إهدار للمواد الخام المستخدمة كمتفاعلات وخاصة إذا كانت غالية الثمن وأيضاً يتسبب في تلوث الناتج بالمتفاعلات ولا نحصل على ناتج نقي بنسبة 100% ولذلك فإن المفاعلات لا تعمل عند نسبة تحول Conversion Percent مئة بالمئة غلى الإطلاق فقد تكون هذه النسبة 15% أو 20% أو 70% ... أو حسب ظروف العملية.

ومن هنا جاءت فكرة إعادة تدوير المواد المتفاعلة الخارجة مع النواتج إلى المفاعل مرة أخري، ويتم ذلك بإحدى طريقتين فإذا كانت المتفاعلات سهلة الفصل عن النواتج فيتم استخدام أحد طرق الفصل المشهورة وإعادة المتفاعلات مرة أخرى إلى المفاعل

أما إذا كانت عملية فصل المتفاعلات عن النواتج صعبة أو مكلفة فيتم تقسيم الناتج إلى قسمين أن أنبوبتين إحداهما يمر فيها نسبة من خليط النواتج والأخري يمر بها الجزء المتبقي ويعاد إدخاله إلى المفاعل مرة أخرى مما يقلل من نسبة المتفاعلات التي تخرج مع نواتج التفاعل.

دعنا الآن ندقق في هذه النقطة أكثر فقد لا يكون الأمر مقنعاً فكيف إذا تم إعادة إدخال جزء من خليط النواتج إلى المفاعل سيقلل لك من نسبة المتفاعلات قي النواتج ...؟!! ... ولنقتنع سوياً بذلك دعنا نجري عملية إتزان Material Balance ونرى نتيجة الحسابات وستبهر بالنتيجة:

لنفترض بأنه مطلوب الحصول على ناتج يحتوي على نسبة من المتفاعلات لا تزيد عن 10% أي أن نسبة التحول يجب أن تكون 90% للتفاعل الذي بالأسفل وأن المفاعل المستخدم قد تم تصميمه ليعمل على نسبة تحول 70% Conversion Percent لأنه إذا تم تصميمه على نسبة تحول 90% سيتطلب حجم ومساحة ضخمة جداً... فما العمل إذاً ..؟؟!!!

A+B ---->C
تخيل معي أننا قمنا بقسم خط النواتج إلي قسمين متساويين أي إلى أنبوبتين كل منها يمر فيها 50% من خليط النواتج الأولى نأخذ الناتج منها مباشرة والثانية يتم إعادة دخولها إلى المفاعل



في الدقيقة الأولي يدخل إلى المفاعل 1 مول من المادة A لتتحول إلى كل من B & C ولكن بنسبة حول 70% أي أن خليط النواتج يحتوي على 0.3 مول من المادة A و 0.7 مول من المادة B و 0.7 مول من المادة C ، وفي الدقيقة الثانية يدخل واحد مول جديد من المادة A في حين بتم إعادة إدخال نصف النواتج إلى المفاعل أي يدخل معه 0.15 مول من المادة A و 0.35 مول من المادة B و 0.35 مول من المادة C فيكون إجمالي المتفاعلات في الدقيقة الثانية هو 1.15 مول من المادة A والتي تتحول بنسبة 70% مكونة 0.805 مول من كل من B&C يضاف إليها 0.35 كانت قد أعيد إدخالها إلى المفاعل ليكون إجمالي النواتج الخارجة من المفاعل في الدقيقة الثانية هو 0.345 مول من المادة A و 1.16 مول من كل من B&C ثم يتم إدخال مول جديد من المتفاعلات في الدقيقة الثالثة وإعادة نصف كمية النواتج إلى المفاعل .... وهكذا ... وباستمرار الحسابات ستفاجأ بأنك في النهاية ستصل إلى أرقام ثابتة تكرر معك في كل مرة دقيقة جديدة وهذا ما يسمى بحالة الاستقرار Steady State في نظام المفاعل.
إذن في النهاية بعد إتمام الحسابات سنجد أن النواتج التي حصلنا عليها تحتوي على 0.353 مول من المادة A و 1.63 مول من كل من B&C وبذلك تكون نسبة المتفاعلات في النواتج كالتالي:
Percent of A in product stream with 50% recycle =
(0.353 * 100) / (0.353 + 1.163 + 1.163)
= 9.7%
في حين أن هذه النسبة كانت 30% دون عمل إعادة تدوير جزء من خليط النواتج إلى المفاعل وبذلك نكون قد حصلنا على نسبة تحول 90% من مفاعل ليس له القدرة إلا على نسبة تحول 70%.
وبزيادة نسبة النواتج التي يتم إعادة تدويرها تزداد نقاوة النواتج في النهاية إلا أن الأمر يستغرق وقتاً أطول لإتمام العملية لأن كمية الناتج التي يتم الحصول عليها تكون أقل، فمثلاً إذا كررنا المثال السابق ولكن بتدوير 90% من خليط النواتج فستكون نتائج حسابات الـ Material Balance كالتالي:

وبهذه الطريقة يتم زيادة نقاوة النواتج أكثر ويتم تنفيذ هذه الحيلة في البداية أي أثناء الـ Start Up عن طريق تخزين نواتج بداية العملية والتي تخرج من خط الإنتاج محتوية على نسبة أعلى من المتفاعلات في خزانات احتياطية وبعد وصول العملية إلى حالة الاستقرار Steady State يتم تصدير الناتج مباشرة إلى الأسواق أو إلي عمليات معالجة أخرى إذا لزم الأمر أما الناتج الذي تم تخزينه في الخزانات في بداية الأمر فيتم ضخه تدريجياً مع المتفاعلات، وهناك طريقة أخرى لعمل ذلك وهي بإعادة تدوير كل النواتج التي نحصل عليها في بداية العملية إلى المفاعل مرة أخرى (أي 100% Recycle) وبعد الوصول إلى حالة الـ Steady State يتم فتح أنبوب النواتج ... وهكذا وقد تستغرق عملية بداية التشغيل Start Up بهذه الطريقة ساعات أو قد تمتد إلى أيام.

وبالطبع تتطلب عملية إعادة التدوير Recycling لخليط النواتج إلى متطلبات إضافية فهي تحتاج إلى أنبوب إضافي ليمر فيه الناتج المعاد تدويره وكذلك يجب الحفاظ على درجة حرارة النواتج المعاد تدويرها عن طريق عزل الأنبوب الذي تمر فيه جيداً حتي تصل إلى المفاعل بأقل فقد في درجات الحرارة أيضاً نحتاج إلى ضاغط Compressor لضخ الناتج المعاد تدويره إلى المفاعل بنفس ضغط العملية ..... وهكذا.