عملیات واحد

عملیات واحد(به انگلیسی: Unit operation) علمی است که به بررسی فرایندهای جداسازی مورد استفاده در صنایع شیمیایی می‌پردازد. تقطیر، تبخیر، انواع روش‌های استخراج، تبلور و… در علم عملیات واحد به‌طور مفصل مورد بررسی قرار می‌گیرد. مفاهیم انتقال جرم، انتقال حرارت و ترمودینامیک، اساس مفاهیم و تئوری‌های عملیات واحد هستند.

مقدمه

برای هر جداسازی به دو ظرف نیاز است که در فرایند تقطیر این دو ظرف دو فاز مایع و بخار می‌باشند و اساس تقطیر بر تعادل بین مایع و بخار استوار است. در فرایند تقطیر دو یا چند جزء بر اساس اختلاف نقطه جوششان یا به عبارت دیگر اختلاف فراریتشان جداسازی می‌شوند بدین صورت که جزء یا اجزایی که دارای نقطه جوش پایین‌تری باشند یا به عبارت دیگر فراریت بیشتری داشته باشند بیشتر در فاز بخار ظاهر می‌شوند که به این جزء، جزء سبک نیز گفته می‌شود و جزء یا اجزایی که نقطه جوش بیشتری داشته باشند یا به عبارت دیگر فراریت کمتری داشته باشند بیشتر در فاز مایع ظاهر می‌شوند که به این جزء، جزء سنگین گفته می‌شود و در نهایت با جداسازی فازها می‌توان به‌طور نسبی اجزاء را از یکدیگر جدا نمود.
پس با توجه به اینکه تعادل بین دو فاز مایع و بخار بر جداسازی اجزاء و طراحی برج تقطیر تأثیرگزار است باید قبل از هر چیز تعادل مایع و بخار مورد بررسی قرار گیرد. از منظر ترمودینامیک، تعادل مایع و بخار حالت پایداری است که در آن هیچ‌یک از خواص ماکروسکوپی دو فاز شامل دما، فشار و غلظت تغییر نکند. راهکارهای مختلفی وجود دارد که بتوان غلظت فاز مایع و بخار را در حالت تعادل بدست آورد که در زیر به این موارد اشاره شده‌است.

اساس روش تبخیر ناگهانی

یکی از فرایندهای جداسازی ساده که به‌طور معمول انجام شده و از روش‌های قدیمی محسوب می‌شود، تبخیر ناگهانی است. در این فرایند قسمتی از خوراک در محفظه تبخیر ناگهانی، تبخیر شده که در این شرایط مایع و بخار با هم در حال تعادل ترمودینامیکی هستند و مواد با فراریت بالا (دمای جوش پایین‌تر) تمایل دارند در فاز بخار باشند و موادی که فراریت کمتری (دمای جوش بالاتر) دارند تمایل دارند در فاز مایع باقی بمانند. در این روش جداسازی کامل دو یا چند جزء امکان‌پذیر نمی‌باشد.

روش پانچوان-ساواریت

در فصل قبل روش مک‌کیب- تیلی مورد بررسی قرار گرفت. همان‌طور که در ابتدای فصل قبل ذکر شد این روش دارای فرضیاتی است که می‌تواند مسئله را از حالت واقعی دور کند به‌طور مثال ممکن است موادی که از یکدیگر جدا می‌شوند آنتالپی تبخیر یکسان نداشته باشد یا اینکه فقط در یکی دمای خاص آنتالپی آن‌ها با هم برابر باشد و با تغییر دما آنتالپی تبخیر مواد تغییرات متفاوتی داشته باشد. در مثالی دیگر می‌توان به جداسازی اسیدها اشاره کرد و در این جداسازی نمی‌توان از گرمای انحلال صرف‌نظر کرد و نکته‌ای که خیلی اهمیت دارد این است که نمی‌توان از انتقال حرارت بین برج و محیط چشمپوشی نمود. مجموعه این موارد باعث می‌شوند که نتوان از روش مک‌کیب- تیلی به عنوان یک روش دقیق یاد کرد اما در عین حال این روش سادگی خاص خود را دارد و اثر پارامترهای مختلف بر تقطیر دو جزء را به خوبی به صورت ترسیمی نشان می‌دهد.
همان‌طور که در روش مک‌کیب- تیلی مشاهده شد برای حل مسئله و رسم خطوط تعادل فقط از موازنه جرم استفاده می‌شد و با توجه به سه فرض اول این روش، نیازی به موازنه انرژی نبود. اما در صورتی که بخواهیم سه شرط اول این روش را حذف کرده و مسئله را به حالت واقعی نزدیک کنیم باید از موازنه جرم و انرژی به صورت هم‌زمان بهره جست. برای این منظور می‌توان از روش پانچوان- ساواریت استفاده نمود. از آنجا که با نوشتن موازنه جرم و انرژی به صورت هم‌زمان و رسم آن روی نمودار مک‌کیب- تیلی، خطوط عملیاتی تبدیل به منحنی عملیاتی می‌شوند و امتداد دادن منحنی همانند خط امکان‌پذیر نیست، پانچوان و ساواریت از دیاگرام آنتالپی- غلظت استفاده نمودند. پس لازم است قبل از تشریح روش پانچوان- ساواریت، به‌طور مختصر با دیاگرام آنتالپی- غلظت و طریقه استفاده از آن آشنا شویم.