مجله اینترنتی دیتاسرا
امروز دوشنبه ۳ مهر ۱۳۹۶

سیالات فوق بحرانی

سیالات فوق بحرانی

نمودارهای فازی

نمودارهای فازی ، نمودارهایی هستند که رفتارهای یک ماده را در سه فاز آن یعنی جامد، مایع و گاز نشان می‌دهند. هر ماده‌ای بسته به نوعش دارای نمودار فازی منحصر به خودش است ولی تقریبا شمای کلی تمامی نمودارهای فازی شبیه هم هستند.

استفاده از نمودارهای فازی یک روش متداول برای ثبت اطلاعات مربوط به فازهای مواد و استفاده از آنهاست. یک نمودار تعادل فازی، نمایش گرافیکی داده‌هاست که اطلاعات مهمی را در مورد ترکیبات تکی یا چند جزئی بدست می‌دهد.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )



نمودارهای تک جزئی

این نمودارها پایداری فازی مواد خالص را نشان می‌دهند. متغیرهای موجود دراین نمودارها: دما، فشار و حجم هستند. پس ۳ متغیر در این نمودارها وجود دارد. یک نمونه از این نمودارها در شکل زیر نشان داده شده است.

با تصویر کردن این نمودار سه‌ بعدی بر روی یکی از صفحات مختصات دکارتی، می‌توان یک نمودار صفحه‌ای بدست آورد. اگرچه در این حالت مقداری از اطلاعات موجود در نمودار از دست می‌رود ولی بررسی آن بر روی کاغذ ساده‌تر می‌شود. که معمولاً از نمودار P-V یا P-T به این منظور استفاده می‌شود.

نمودارهای فازی را با انجام آزمایش‌های متفاوت در دماها و فشارهای مختلف و نقطه یابی رسم می‌کنند. البته برای رسم نمودارهای فازی روابط  ریاضی نیز وجود دارد.این نمودار ها در شرایط  تعادلی به دست می آیند و به همین دلیل آن ها را نمودارهای تعادلی فازی می نامند. اگر چه در بسیاری از فرآیند ها و تولیدات صنعتی شرایط  تعادلی به طور کامل پدید نمی آید ولی با استفاده از دیاگرام های تعادلی فازی اطلاعات مفیدی از ترکیب، مقدار، تعداد و پایداری حرارتی فازهایی که ریزساختار ماده را تشکیل می دهند به دست خواهد آمد. به جرات می توان گفت که بدون وجود دیاگرام های فازی پیش بینی رفتار مواد در مجاورت هم و در دماهای بالا امکان پذیر نیست. بی هیچ تردیدی نمودار های فازی عامل مهمی در پیشرفت علم مواد و تولید قطعات مهندسی به شمار می آیند.

همانطور که بیان شد نمودارهای فازی روابط ماده را در سه فاز آن نشان می‌دهد. این نمودار همچنین روابط بین فازهای مختلف را نیز نمایش می‌دهد و نقطه ذوب و جوش و تصعید و معیان را در فشارهای مختلف می‌توان از روی این نمودار به راحتی بدست آورد که این مطلب جزء کاربردهای مهم این نمودار در صنعت است.

در لیست زیر، تعدادی از اطلاعاتی که می تواند مستقیما از روی دیاگرام حاصل شود، آورده شده است.                   

1- دمای ذوب هر ترکیب خالص   

2- میزان کاهش دمای ذوب در حالتی که دو یا چند ترکیب مخلوط شوند.                                                       

3- تاثیر متقابل دو ترکیب برای تشکیل ترکیب سوم.                                                                             

 4- وجود و میزان محلول جامد.

5- اثر دما بر روی میزان محلول جامد.                                                                                            

6- دمایی که یک ترکیب از یک ساختار کریستالی به ساختار دیگر تبدیل می شود.                                         

7- مقدار و ترکیب شیمیایی فازهای جامد و مایع در دما و ترکیب مشخص.                                                  

8- وجود مایعات (مذاب های) غیر قابل امتزاج در یکدیگر در دمای بالا یا مایعاتی که در یکدیگر حل نمی شوند.



نمودار فشار- دما

یکی از نمودارهای فازی، نمودار فازی دو گانه بر حسب تغییر دما و فشار نسبت به هم است ،که در محور افق پارامتر دما و در محور عمودی پارامتر فشار دیده می‌شود.برای توضیح رفتار یک جسم خالص نمودار دما- فشار(P-T ) آن را بررسی میکنیم:

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )

یک جسم جامد را با دمای  درنظر میگیریم.این جسم را تحت فشارP  قرار میدهیم.ذره ذره به جسم گرما میدهیم.دما شروع به بالا رفتن میکند ولی فشار ثابت میماند که نمودار آن در دستگاه P-T  یک خط افقی می‌شود.وچون ذره ذره گرما می‌دهیم خط آن کاملا پر می‌شود.یعنی ما به صورت بازگشت پذیر گرما داده ایم.این روند همچنان ادامه می‌یابد تا زمانی که دیگر دما ثابت می‌شود و تغییر فاز رخ می‌دهد. این روند تا زمانی که تمام جسم ذوب شود، ادامه می‌یابد. حال مایعی با دمای T و فشار P داریم. اگرذره ذره به آن گرما بدهیم، دمایش تا هنگامی که اولین حباب ایجاد شود، بالا میرود. که این نقطه، نقطه جوش است. از این به بعد هم دما ثابت میماند، تا همه مایع بخار شود.حال برای فهم نمودار به چند تعریف می‌ پردازیم.



نقطه جوش نرمال                                                                                                                   

اگر نقطه جوش هر ماده را در فشار 1 اتمسفر بدست آوریم،به آن نقطه جوش نرمال گوییم.                                             

 منحنی ای که دو فاز مایع و بخار با هم در تعادل هستند.این منحنی همواره صعودی است.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )                                                                                                          

هنگامی که دما و فشار یک مخلوط دو فازی تک جزئی بر روی منحنی تبخیر بالا برده شود، ماده به نقطه ای می رسد که دیگر تعادل دو فازی مایع- بخار ندارد که این نقطه را نقطه‌ی بحرانی[2]  گویند. وجود نقطه بحرانی در سال 1822 کشف شد.



نقطه سه گانه

یکی از مطالب جالب در این نمودارها نقطه‌ای به نام نقطه سه گانه است.نقطه ای که منحنی های ذوب و تبخیر همدیگر را قطع می کنند، نقطه سه گانه نام دارد. مهمترین و جالب ‌ترین نکته در مورد این نقطه این است که در این نقطه هر سه فاز جامد و مایع و گاز با هم در تعادل و تعامل هستند. یعنی اگر یک سیستم از یک ماده داشته باشیم و آن را در دما و فشار نقطه سه گانه قرار دهید می‌توانید هر سه فاز را با هم در یک لحظه ببینید.

ماده در نقطه سه گانه دارای فشار و دمای یکسان و حجم مخصوص متغیر می‌ باشد.درواقع نقطه سه گانه در نمودار سه گانه‌ی فشار- دما- حجم مخصوص ،به صورت یک خط است.

منحنی تبخیر از نقطه سه گانه شروع می شود و به نقطه بحرانی ختم می شود.ولی منحنی ذوب ادامه دارد.سمت راست منحنی تبخیر، فاز گاز است و ناحیه میان منحنی های تبخیر و ذوب، فاز مایع و سمت چپ منحنی ذوب نیز مربوط به فاز جامد می باشد.

حال اگر دما و فشار جسم جامدی از دما و فشار نقطه سه گانه کمتر باشد، بدون اینکه از ناحیه وسط که مربوط به مایع کمپرس است عبور کند، به بخار تبدیل می شود.مانند نفتالین که درواقع تعادلی است بین جامد و بخار، که به آن منحنی تصعید گویند.

حال فرض می کنیم که بخار داغ داریم که دمای آن T  وفشار آن P است که فشار P ،همان فشار پیستونی است که روی آن قرار گرفته است. در این آزمایش دما را ثابت نگه داشته و فشار را زیاد می کنیم.اگر یک وزنه اضافه کنیم، فشار زیاد می شود و دما بالا می رود و اگر ظرف عایق نباشد، انتقال حرارت اتفاق می افتد و دما همچنان ثابت باقی می ماند. حال یک بخار جدید داریم که فشار آن زیاد شده، پس سوپرهیتی آن کاهش یافته است. حال چنانچه ذره ذره وزنه اضافه کنیم، یک خط قائم داریم و چون ذره ذره اضافه شده، پس رورسیبل است و یک خط کاملا پر است. این روند ادامه می یابد تا به منحنی تبخیر برسد. در این هنگام درون سیستم یک قطره مایع ایجاد می شود، یعنی سیستم ما دوفازی می شود و اگر به همین ترتیب ادامه یابد، مایع اضافه می شود تا زمانی که صد در صد درون ظرف مایع داشته باشیم.

باید به این نکته توجه شود که بخار می تواند با تراکم در دمای ثابت یا سرد کردن در فشار ثابت مایع شود. ولی گازها در دمای ثابت با افزایش فشار قابل کندانس شدن نیستند. ولی در فشار ثابت ( البته اگر فشار، از فشار نقطه سه گانه بیشتر باشد) می توان دما را کم کرد و آن را مایع کرد.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )



سیال فوق بحرانی

اگر دما و فشار از نقطه بحرانی بالاتر رود ماده به حالتی میرسد که محدوده‌ی فوق بحرانی نامیده می شود و به ماده در این محدوده سیال فوق بحرانی گفته می شود. خصوصیات سیال فوق بحرانی در نزدیکی نقطه بحرانی کاملا وابسته به دما و فشار است. در نزدیکی این نقطه چگالی ماده با افزایش ناچیز فشار تغییرات زیادی می کند به طوریکه تراکم پذیری همدما برای سیال فوق بحرانی در نزدیکی نقطه ی بحرانی دارای مقادیر بزرگی است

ناحیه فوق بحرانی به دو قسمت ناحیه شبه مایع  و ناحیه  شبه بخار  تقسیم میشود . در فشار ثابت زمانی که دما بزرگتر از دمای شبه بحرانی است، ناحیه شبه بخار و در زمانی که کوچکتر از دمای شبه بحرانی است، ناحیه شبه مایع نامیده می‌شود.

دلیل این اسم گذاری آن است که در واقع در فشارهای فوق بحرانی سیال را نه میتوان مایع فرض کرد ونه بخار، که فقط میتوان به آن سیال گفت . واین تقسیم بندی فقط جهت تطابق با حالت فشارها و دماهای عادی (زیر نقطه بحرانی) است. وگرنه در فشارهای فوق بحرانی تغییر فاز وجود ندارد و فقط خواص سیال از جمله چگالی در قبل و بعد از نقطه شبه بحرانی تغییر میکند . همچنین میتوان اینطور عنوان کرد که بدلیل اینکه در ناحیه دمای بزرگتر از دمای شبه بحرانی چگالی کوچکتر از ناحیه دمای کوچکتر از دمای شبه بحرانی است ، ناحیه چگالی کوچکتر را شبه بخار ودیگری را شبه مایع می‌نامند.

سیالات فوق بحرانی از نظر خواص انتقالی, مانند گازها (نفوذ پذیری بالا و ویسکوزیته کم) و از نظر قدرت حلالیت, شبیه حلال های مایع هستند.در دهه های اخیر استفاده از سیال فوق بحرانی در صنعت رو به فزونی است

نقاط بحرانی ، اغلب دارای فشار زیادی می باشند. بنابراین، برای مطالعه سیستماتیک سیال در نزدیکی محدوده فوق بحرانی و یا سیال فوق بحرانی ، نیازمند دستگاه‌های آِزمایشی هستیم که قابلیت انجام آزمایش در فشار‌های بالا را داشته باشند. و شاید این مهمترین دلیلی باشد که چرا مطالعات بر روی این سیالات تا همین اواخر کم بود.

دلایل گسترش استفاده از این سیالات را می توان به شرح زیر توضیح داد:

یکی از دلایل گسترش سیالات فوق بحرانی این است  که فرایندهای غذایی , آرایشی   و دارویی  و ... نیازمند رسیدن به درجه خلوص در حد استاندارد هستند. برای مثال  بازیابی کامل  حلال  در  صنایع دارویی و غذایی ضروری است. در حالی که در روش های معمول مانند تقطیر و استخراج مایع-مایع, بازیاب کامل حلال میسر نیست

از دلایل دیگر گسترش سیالات فوق بحرانی این است که حلال های آلی به ویژه حلال های کلردار برای محیط زیست مضر هستند. به طوری که امروزه ثابت شده که حلال های کلردار و بعضی از حلال های آلی مورد مصرف درصنایع, از قبیل کلروفلوروکربن برای لایه ازن زیان آورند. بنابراین با جایگزینی گاز Co2 به عنوان حلال در فرایندهای فوق بحرانی این مشکل حل شده است.

 در بیشتر اوقات دی اکسیدکربن فوق بحرانی به سیالات فوق بحرانی دیگر ترجیح داده می شود.دی اکسید کربن دارای دمای بحرانی پایین 304 کلوین و فشار بحرانی متوسط 73 بار می باشد. گاز Co2 غیرسمی و غیرقابل اشتعال و سازگار با محیط زیست است . در فرایندهای شیمیایی بسیار زیادی مانند ، تغییر فرم ذره، استخراج  و کارخانه های کف (شوینده) از سیالات فوق بحرانی مانند Co2 وهیدروکربنها استفاده میکنند.

سیال فوق بحرانی دیگری که استفاده فراوانی دارد، آب است.آب دارای دمای بحرانی 647 کلوین و فشار  بحرانی 220 بار می باشد. بنا به دلایل یاد شده امروزه فرایند سیالات فوق بحرانی در بخش های مختلف علم و فن, گسترش یافته و کاربردهای متنوعی در منابع علمی برای آن گزارش شده است . برای افزایش بازده نیروگاهها در سالهای اخیر استفاده از آب فوق بحرانی( SCW) ، مورد توجه قرار گرفته است . سیالات فوق بحرانی بعنوان مبرد (خنک کننده ) برای ماشینهای الکتریکی وهمچنین بعنوان مبرد برای راکتورهای هسته ای مورد استفاده قرار میگیرند. 



خصوصیات سیال فوق بحرانی در ارتباط با استخراج اسانس                                                                        

با تغییر دماو فشار می توان به حداکثر ظرفیت حلال رسید.

ضریب پخش سیال فوق بحرانی 1 تا 2 برابر بیشتر از مایعات است که انتقال سریع توده را آسان می کند و استخراج زودتر تمام میشود.

( جهت مطالعه متن کامل این قسمت فایل پیوست را دانلود نمایید. )        

ویسکوزیته و کشش سطحی آن سبب میشود تا به آسانی به بافت گیاهی نفوذ کند و مواد موثره را خارج سازد. ویژگی شبه گازی آن درجه بالایی از استخراج در مدت کوتاه را تامین می کند. می تواند به طور انتخابی ترکیبات مورد نظر را از ترکیبات پیچیده استخراج کند. برای جداسازی یک ترکیب نامطلوب از محصول نهایی بکار رود.



کاربرد سیالات فوق بحرانی در صنایع شیمیایی 

سیالات فوق بحرانی در صنایع شیمیایی به دو صورت حلال و محیطی برای انجام واکنش استفاده می شوند. از جمله کاربردهای سیالات فوق بحرانی به عنوان حلال, می توان به استخراج قیر از سنگ نفت زا, استخراج مواد پایه رنگ و استخراج مشتقات نیتروفنل به وسیله دی اکسید کربن فوق بحرانی اشاره کرد. به علاوه بسیاری از واکنش های هیدروژناسیون در محیط آب فوق بحرانی قابل انجام است. در ادامه, چندین کاربرد دیگر برای سیالات فوق بحرانی در صنایع شیمیایی بیان می شود



تولید انرژی به وسیله اکسیداسیون زغال سنگ در آب فوق بحرانی

یکی از روش های تولید انرژی, سوزاندن زغال سنگ در آب فوق بحرانی است...


مشخصات

مشخصات

توسط: ابراهیم زینی تعداد صفحات: 16 درج در دیتاسرا: ۱۳۹۴/۱۲/۷ منبع: دیتاسرا

خرید محصول

خرید محصول

عنوان: سیالات فوق بحرانی حجم: 519.48 کیلوبایت فرمت فایل: docx قیمت: 1200 تومان رمز فایل (در صورت نیاز): www.datasara.com

فرمت ایمیل صحیح نمی باشد.

گروه نرم افزاری دیتاسرا www.datasara.com

نمای مطلب

سیالات فوق بحرانی
- ابراهیم زینی
نمودارهای فازی
نمودارهای فازی ، نمودارهایی هستند که رفتارهای یک ماده را در سه فاز آن یعنی جامد، مایع و گاز نشان می‌دهند. هر ماده‌ای بسته به نوعش دارای نمودار فازی منحصر به خودش است ولی تقریبا شمای کلی تمامی نمودارهای فازی شبیه هم هستند.
استفاده از نمودارهای فازی یک روش متداول برای ثبت اطلاعات مربوط به فازهای مواد و استفاده از آنهاست. یک نمودار تعادل فازی، نمایش گرافیکی داده‌هاست که اطلاعات مهمی را در مورد ترکیبات تکی یا چند جزئی بدست می‌دهد.
نمودارهای تک جزئی
این نمودارها پایداری فازی مواد خالص را نشان می‌دهند. متغیرهای موجود دراین نمودارها: دما، فشار و حجم هستند. پس ۳ متغیر در این نمودارها وجود دارد. یک نمونه از این نمودارها در شکل زیر نشان داده شده است.

نمودار فازی تک‌ جزئی

با تصویر کردن این نمودار سه‌ بعدی بر روی یکی از صفحات مختصات دکارتی، می‌توان یک نمودار صفحه‌ای بدست آورد. اگرچه در این حالت مقداری از اطلاعات موجود در نمودار از دست می‌رود ولی بررسی آن بر روی کاغذ ساده‌تر می‌شود. که معمولاً از نمودار P-V یا P-T به این منظور استفاده می‌شود.
شکل زیر نحوهٔ تصویر کردن نمودار فازی PVT را بر روی صفحهٔ PT نشان می‌دهد. پیکان موجود در نمودار فضایی شکل زیر، جهت دید ناظر را نشان می‌دهد.

نحوه تصویر کردن نمودار PTبر روی صفحه

نمودارهای فازی را با انجام آزمایش‌های متفاوت در دماها و فشارهای مختلف و نقطه یابی رسم می‌کنند. البته برای رسم نمودارهای فازی روابط ریاضی نیز وجود دارد.
این نمودار ها در شرایط تعادلی به دست می آیند و به همین دلیل آن ها را نمودارهای تعادلی فازی می نامند. اگر چه در بسیاری از فرآیند ها و تولیدات صنعتی شرایط تعادلی به طور کامل پدید نمی آید ولی با استفاده از دیاگرام های تعادلی فازی اطلاعات مفیدی از ترکیب، مقدار، تعداد و پایداری حرارتی فازهایی که ریزساختار ماده را تشکیل می دهند به دست خواهد آمد. به جرات می توان گفت که بدون وجود دیاگرام های فازی پیش بینی رفتار مواد در مجاورت هم و در دماهای بالا امکان پذیر نیست. بی هیچ تردیدی نمودار های فازی عامل مهمی در پیشرفت علم مواد و تولید قطعات مهندسی به شمار می آیند.
همانطور که بیان شد نمودارهای فازی روابط ماده را در سه فاز آن نشان می‌دهد. این نمودار همچنین روابط بین فازهای مختلف را نیز نمایش می‌دهد و نقطه ذوب و جوش و تصعید و معیان را در فشارهای مختلف می‌توان از روی این نمودار به راحتی بدست آورد که این مطلب جزء کاربردهای مهم این نمودار در صنعت است.
در لیست زیر، تعدادی از اطلاعاتی که می تواند مستقیما از روی دیاگرام حاصل شود، آورده شده است.
1- دمای ذوب هر ترکیب خالص 2- میزان کاهش دمای ذوب در حالتی که دو یا چند ترکیب مخلوط شوند. 3- تاثیر متقابل دو ترکیب برای تشکیل ترکیب سوم. 4- وجود و میزان محلول جامد. 5- اثر دما بر روی میزان محلول جامد. 6- دمایی که یک ترکیب از یک ساختار کریستالی به ساختار دیگر تبدیل می شود. 7- مقدار و ترکیب شیمیایی فازهای جامد و مایع در دما و ترکیب مشخص. 8- وجود مایعات (مذاب های) غیر قابل امتزاج در یکدیگر در دمای بالا یا مایعاتی که در یکدیگر حل نمی شوند.

نمودار فشار- دما
یکی از نمودارهای فازی، نمودار فازی دو گانه بر حسب تغییر دما و فشار نسبت به هم است ،که در محور افق پارامتر دما و در محور عمودی پارامتر فشار دیده می‌شود.


برای توضیح رفتار یک جسم خالص نمودار دما- فشار(P-T ) آن را بررسی میکنیم:
یک جسم جامد را با دمایT_1 درنظر میگیریم.این جسم را تحت فشارP قرار میدهیم.ذره ذره به جسم گرما میدهیم.دما شروع به بالا رفتن میکند ولی فشار ثابت میماند که نمودار آن در دستگاه P-T یک خط افقی می‌شود.وچون ذره ذره گرما می‌دهیم خط آن کاملا پر می‌شود.یعنی ما به صورت بازگشت پذیر گرما داده ایم.این روند همچنان ادامه می‌یابد تا زمانی که دیگر دما ثابت می‌شود و تغییر فاز رخ می‌دهد. این روند تا زمانی که تمام جسم ذوب شود، ادامه می‌یابد. حال مایعی با دمای T و فشار P داریم. اگر ذره ذره به آن گرما بدهیم، دمایش تا هنگامی که اولین حباب ایجاد شود، بالا میرود. که این نقطه، نقطه جوش است. از این به بعد هم دما ثابت میماند، تا همه مایع بخار شود.
حال برای فهم نمودار به چند تعریف می‌ پردازیم.
نقطه جوش نرمال اگر نقطه جوش هر ماده را در فشار 1 اتمسفر بدست آوریم،به آن نقطه جوش نرمال گوییم.
منحنی تبخیر یا منحنی جوش منحنی ای که دو فاز مایع و بخار با هم در تعادل هستند.این منحنی همواره صعودی است.
منحنی ذوب منحنی ای که دو فاز جامد و مایه با هم در تعادل هستند.
نقطه‌ بحرانی
هنگامی که دما و فشار یک مخلوط دو فازی تک جزئی بر روی منحنی تبخیر بالا برده شود، ماده به نقطه ای می رسد که دیگر تعادل دو فازی مایع- بخار ندارد که این نقطه را نقطه‌ی بحرانی گویند. وجود نقطه بحرانی در سال 1822 کشف شد.

نقطه سه گانه
یکی از مطالب جالب در این نمودارها نقطه‌ای به نام نقطه سه گانه است.نقطه ای که منحنی های ذوب و تبخیر همدیگر را قطع می کنند، نقطه سه گانه نام دارد. مهمترین و جالب ‌ترین نکته در مورد این نقطه این است که در این نقطه هر سه فاز جامد و مایع و گاز با هم در تعادل و تعامل هستند. یعنی اگر یک سیستم از یک ماده داشته باشیم و آن را در دما و فشار نقطه سه گانه قرار دهید می‌توانید هر سه فاز را با هم در یک لحظه ببینید.
ماده در نقطه سه گانه دارای فشار و دمای یکسان و حجم مخصوص متغیر می‌ باشد.درواقع نقطه سه گانه در نمودار سه گانه‌ی فشار- دما- حجم مخصوص ،به صورت یک خط است.

ماده ای در نقطه سه گانه
منحنی تبخیر از نقطه سه گانه شروع می شود و به نقطه بحرانی ختم می شود.ولی منحنی ذوب ادامه دارد.سمت راست منحنی تبخیر، فاز گاز است و ناحیه میان منحنی های تبخیر و ذوب، فاز مایع و سمت چپ منحنی ذوب نیز مربوط به فاز جامد می باشد.
حال اگر دما و فشار جسم جامدی از دما و فشار نقطه سه گانه کمتر باشد، بدون اینکه از ناحیه وسط که مربوط به مایع کمپرس است عبور کند، به بخار تبدیل می شود.مانند نفتالین که درواقع تعادلی است بین جامد و بخار، که به آن منحنی تصعید گویند.
حال فرض می کنیم که بخار داغ داریم که دمای آن T وفشار آن P است که فشار P ،همان فشار پیستونی است که روی آن قرار گرفته است. در این آزمایش دما را ثابت نگه داشته و فشار را زیاد می کنیم.اگر یک وزنه اضافه کنیم، فشار زیاد می شود و دما بالا می رود و اگر ظرف عایق نباشد، انتقال حرارت اتفاق می افتد و دما همچنان ثابت باقی می ماند. حال یک بخار جدید داریم که فشار آن زیاد شده، پس سوپرهیتی آن کاهش یافته است. حال چنانچه ذره ذره وزنه اضافه کنیم، یک خط قائم داریم و چون ذره ذره اضافه شده، پس رورسیبل است و یک خط کاملا پر است. این روند ادامه می یابد تا به منحنی تبخیر برسد. در این هنگام درون سیستم یک قطره مایع ایجاد می شود، یعنی سیستم ما دوفازی می شود و اگر به همین ترتیب ادامه یابد، مایع اضافه می شود تا زمانی که صد در صد درون ظرف مایع داشته باشیم.
باید به این نکته توجه شود که بخار می تواند با تراکم در دمای ثابت یا سرد کردن در فشار ثابت مایع شود. ولی گازها در دمای ثابت با افزایش فشار قابل کندانس شدن نیستند. ولی در فشار ثابت ( البته اگر فشار، از فشار نقطه سه گانه بیشتر باشد) می توان دما را کم کرد و آن را مایع کرد.
نمودار فشار- حجم مخصوص
نمودار دما- حجم مخصوص

برای بررسی حجم مخصوص ، نمودار فشار- حجم مخصوص را درنظر می گیریم.نمودار آن گنبدی شکل است که زیر گنبد، ناحیه دو فازی است. یعنی بخار و مایع اشباع وجود دارد.ولی بیرون آن تک فازی و به ازای هر T،P تابع v و یا v تابع P است. v_g حجم مخصوص بخار اشباع وv_f حجم مخصوص مایع اشباع است.هر نقطه از v_g تا v_f نشان دهنده یک v است که کیفیت آن با داشتن حجم مخصوص بدست می آید.
v=(1-x) v_f+xv_g
علاوه بر نمودارهای بالا، دو نمودار فازی دیگر هم معرفی می کنیم که شامل فاز جامد هم می باشند. بیشتر مواد در فرآیند جامد شدن (به عنوان مثال، فرآیند انجماد) منقبظ می شوند.بقیه مواد مانند آب، منبسط می شوند.
نمودار فشار- حجم مخصوص برای موادی
نمودار فشار- حجم مخصوص برای موادی
که هنگام انجماد منقبض می شوند. که هنگام انجماد منقبض می شوند.
سیال فوق بحرانی
اگر دما و فشار از نقطه بحرانی بالاتر رود ماده به حالتی میرسد که محدوده‌ی فوق بحرانی نامیده می شود و به ماده در این محدوده سیال فوق بحرانی گفته می شود. خصوصیات سیال فوق بحرانی در نزدیکی نقطه بحرانی کاملا وابسته به دما و فشار است. در نزدیکی این نقطه چگالی ماده با افزایش ناچیز فشار تغییرات زیادی می کند به طوریکه تراکم پذیری همدما برای سیال فوق بحرانی در نزدیکی نقطه ی بحرانی دارای مقادیر بزرگی است.

ناحیه فوق بحرانی به دو قسمت ناحیه شبه مایع و ناحیه شبه بخار تقسیم میشود . در فشار ثابت زمانی که دما بزرگتر از دمای شبه بحرانی است، ناحیه شبه بخار و در زمانی که کوچکتر از دمای شبه بحرانی است، ناحیه شبه مایع نامیده می‌شود.
دلیل این اسم گذاری آن است که در واقع در فشارهای فوق بحرانی سیال را نه میتوان مایع فرض کرد ونه بخار، که فقط میتوان به آن سیال گفت . واین تقسیم بندی فقط جهت تطابق با حالت فشارها و دماهای عادی (زیر نقطه بحرانی) است. وگرنه در فشارهای فوق بحرانی تغییر فاز وجود ندارد و فقط خواص سیال از جمله چگالی در قبل و بعد از نقطه شبه بحرانی تغییر میکند . همچنین میتوان اینطور عنوان کرد که بدلیل اینکه در ناحیه دمای بزرگتر از دمای شبه بحرانی چگالی کوچکتر از ناحیه دمای کوچکتر از دمای شبه بحرانی است ، ناحیه چگالی کوچکتر را شبه بخار ودیگری را شبه مایع می‌نامند.
سیالات فوق بحرانی از نظر خواص انتقالی, مانند گازها (نفوذ پذیری بالا و ویسکوزیته کم) و از نظر قدرت حلالیت, شبیه حلال های مایع هستند.در دهه های اخیر استفاده از سیال فوق بحرانی در صنعت رو به فزونی است.
نقاط بحرانی ، اغلب دارای فشار زیادی می باشند. بنابراین، برای مطالعه سیستماتیک سیال در نزدیکی محدوده فوق بحرانی و یا سیال فوق بحرانی ، نیازمند دستگاه‌های آِزمایشی هستیم که قابلیت انجام آزمایش در فشار‌های بالا را داشته باشند. و شاید این مهمترین دلیلی باشد که چرا مطالعات بر روی این سیالات تا همین اواخر کم بود.
دلایل گسترش استفاده از این سیالات را می توان به شرح زیر توضیح داد:
یکی از دلایل گسترش سیالات فوق بحرانی این است که فرایندهای غذایی , آرایشی و دارویی و ... نیازمند رسیدن به درجه خلوص در حد استاندارد هستند. برای مثال بازیابی کامل حلال در صنایع دارویی و غذایی ضروری است. در حالی که در روش های معمول مانند تقطیر و استخراج مایع-مایع, بازیاب کامل حلال میسر نیست.
از دلایل دیگر گسترش سیالات فوق بحرانی این است که حلال های آلی به ویژه حلال های کلردار برای محیط زیست مضر هستند. به طوری که امروزه ثابت شده که حلال های کلردار و بعضی از حلال های آلی مورد مصرف درصنایع, از قبیل کلروفلوروکربن برای لایه ازن زیان آورند. بنابراین با جایگزینی گاز Co2 به عنوان حلال در فرایندهای فوق بحرانی این مشکل حل شده است.
در بیشتر اوقات دی اکسیدکربن فوق بحرانی به سیالات فوق بحرانی دیگر ترجیح داده می شود.دی اکسید کربن دارای دمای بحرانی پایین 304 کلوین و فشار بحرانی متوسط 73 بار می باشد. گاز Co2 غیرسمی و غیرقابل اشتعال و سازگار با محیط زیست است . در فرایندهای شیمیایی بسیار زیادی مانند ، تغییر فرم ذره، استخراج و کارخانه های کف (شوینده) از سیالات فوق بحرانی مانند Co2 وهیدروکربنها استفاده میکنند.
سیال فوق بحرانی دیگری که استفاده فراوانی دارد، آب است.آب دارای دمای بحرانی 647 کلوین و فشار بحرانی 220 بار می باشد.
بنا به دلایل یاد شده امروزه فرایند سیالات فوق بحرانی در بخش های مختلف علم و فن, گسترش یافته و کاربردهای متنوعی در منابع علمی برای آن گزارش شده است . برای افزایش بازده نیروگاهها در سالهای اخیر استفاده از آب فوق بحرانی( SCW) ، مورد توجه قرار گرفته است . سیالات فوق بحرانی بعنوان مبرد (خنک کننده ) برای ماشینهای الکتریکی وهمچنین بعنوان مبرد برای راکتورهای هسته ای مورد استفاده قرار میگیرند.
در ادامه این مقاله تعدادی از کاربردهای سیالات فوق بحرانی در زمینه های صنایع شیمیایی, صنایع غذایی, صنایع دارویی, صنایع نفت و پتروشیمی و صنایع پلیمر توضیح داده می شود.
کاربردهای سیالات فوق بحرانی
در یکی از کاربردهای سیالات فوق بحرانی از اکسیداسیون آب فوق بحرانی ، ( scwo ) استفاده می شود . مواد آلی مسموم به همراه اکسیژن داخل آب فوق بحرانی مخلوط میشوند که نتیجه محصولات احتراق بی ضرر میباشد . در این روش آب خاصیت جالب توجهی از خود نشان میدهد. آب که در حالت معمول حلال مواد معدنی ونمکها است وقابلیت حل کردن مواد آلی را ندارد ، در حالت فوق بحرانی تغییر کرده و بر عکس میشود یعنی مواد آلی را به خوبی در خود حل میکند در حالی که دیگر حلال خوبی برای نمکهای معدنی نمیباشد . محصولات معمول از این فرایند شامل CO2 ، آب و نمکها یا اسیدهای غیرآلی میشوند .
روش scwo در موارد ذیل قابل اعمال است : آبهای آلوده آلی شامل ؛ آبهای پسرفتی کارخانه های شیمیایی ، آبهای پسرفتی صنایع غذایی کثافات آلی شامل ؛ کثافات فاضلاب شهرداری ، کثافات کارخانه های شیمیایی

خصوصیات سیال فوق بحرانی در ارتباط با استخراج اسانس
با تغییر دماو فشار می توان به حداکثر ظرفیت حلال رسید.
ضریب پخش سیال فوق بحرانی 1 تا 2 برابر بیشتر از مایعات است که انتقال سریع توده را آسان می کند و استخراج زودتر تمام میشود.
ویسکوزیته و کشش سطحی آن سبب میشود تا به آسانی به بافت گیاهی نفوذ کند و مواد موثره را خارج سازد.
ویژگی شبه گازی آن درجه بالایی از استخراج در مدت کوتاه را تامین می کند. می تواند به طور انتخابی ترکیبات مورد نظر را از ترکیبات پیچیده استخراج کند.
برای جداسازی یک ترکیب نامطلوب از محصول نهایی بکار رود.

کاربرد سیالات فوق بحرانی در صنایع شیمیایی
سیالات فوق بحرانی در صنایع شیمیایی به دو صورت حلال و محیطی برای انجام واکنش استفاده می شوند. از جمله کاربردهای سیالات فوق بحرانی به عنوان حلال, می توان به استخراج قیر از سنگ نفت زا, استخراج مواد پایه رنگ و استخراج مشتقات نیتروفنل به وسیله دی اکسید کربن فوق بحرانی اشاره کرد. به علاوه بسیاری از واکنش های هیدروژناسیون در محیط آب فوق بحرانی قابل انجام است. در ادامه, چندین کاربرد دیگر برای سیالات فوق بحرانی در صنایع شیمیایی بیان می شود.
تولید انرژی به وسیله اکسیداسیون زغال سنگ در آب فوق بحرانی
یکی از روش های تولید انرژی, سوزاندن زغال سنگ در آب فوق بحرانی است (SCWO) . در سال2003 برمجو برای تولید انرژی به وسیله سوزاندن زغال سنگ در آب فوق بحرانی دو روش جدید, یکی روش زغال سنگ پودر شده و دیگری روش بستر سیال فشرده پیشنهاد کرد.

برای مقایسه بازده فرایند اکسیداسیون در روش های مختلف, باید اثر فشار و دما را روی انرژی تولید شده (Wp) و انرژی مصرف شده (Wc) و کار محوری بررسی کرد. تحقیقات برمجو نشان می دهد که کار محوری در فرایند اکسیداسیون در آب فوق بحرانی5 درصد بیشتر از دیگر فرایندهای تولید انرژی است, اما در عوض برای انجام فرایند اکسیداسیون کامل نیاز به هوای اضافی نیست؛ در نتیجه بازده حرارتی در این روش افزایش می یابد. نتایج آزمایش ها نشان داد که بازده اکسیداسیون در آب فوق بحرانی با افزایش دما, رابطه ای مستقیم دارد. تا30 مگاپاسکال ، بازده فرایند بسیار سریع افزایش پیدا می کند.اما وقتی فشار جریان خیلی بیشتر از30 مگا پاسکال باشد بازده فرایند اکسیداسیون کاهش یابد.
تجزیه آنیلین در آب فوق بحرانی
آنیلین یک ماده سمی است که به طور گسترده در صنایع شیمیایی, لاستیک, پلاستیک و صنایع دارویی به عنوان یک ماده اولیه استفاده می شود. در پساب این صنایع مقداری آنیلین باقی می ماند. به عنوان مثال در کشور چین هر سال80 هزار تن آنیلین به صورت پساب از صنایع مختلف خارج می شود. آنیلین و بیشتر مشتقات آن به صورت بیولوژیکی, یا قابل تجزیه نیستند و یا تجزیه آنها بسیار مشکل و طولانی است. روش های الکترولیز و جذب سطحی به وسیله رزین و اکسیداسیون به وسیله ازن, از روش های سنتی تجزیه آنیلین هستند. در حین تجزیه آنیلین در روش های سنتی یاد شده, ممکن است محصولات میانی مانند پارا متیل فنل و اسید کربوکسیل نیز تولید شود که مواد مضری برای محیط زیست هستند. اکسیداسیون آنیلین توسط آب اکسیژنه در آب فوق بحرانی یک روش مفید و موثر برای تجزیه کامل آنیلین است که توسط کی در سال2001 پیشنهاد شده است.

استخراج مواد شیمیایی به وسیله دی اکسید کربن فوق بحرانی
یکی از کاربردهای سیالات فوق بحرانی در صنایع شیمیایی, استخراج دی اتیل آمونیوم کربامیت است. از این ماده در استخراج حلال های مایع و برای استخراج یون های فلزی سمی از جریان های آلوده استفاده می شود. حلالیت دی اتیل آمونیوم دی اتیل تیوکربامیت در دی اکسید کربن فوق بحرانی در محدوده فشار10 تا30 مگاپاسکال و در محدوده دمای 2/308 تا 2/328 درجه کلوین و در حضور اتانل به عنوان کمک حلال و به صورت دینامیک توسط وانگ در سال2002 بررسی شده است کاربرد دیگر سیالات فوق بحرانی در صنایع شیمیایی, استخراج ایزومرهای دی هیدروکسی بنزن است.
کاربرد سیالات فوق بحرانی در صنایع غذایی
سیالات فوق بحرانی نسبت به حلال های مایع از مزایای زیادی برخوردارند. از جمله این مزایا می توان به موارد زیر اشاره کرد:
1- فرایند استخراج بیشتر سیالات فوق بحرانی در دمای پایین انجام می شود. بنابراین, این فرایند برای مواد حساس به دما مناسب است.
-2 در فرایند سیالات فوق بحرانی حلال به طور کامل از محصول قابل بازیابی است و به دلیل کاهش مصرف حلال و استفاده مجدد از آن, از نظر اقتصادی با صرفه است.
3-عدم حضور حلال در محصول نهایی که باعث بالا رفتن کیفیت محصول نهایی می شود. در ادامه, چندین کاربرد سیالات فوق بحرانی در صنایع غذایی بیان می شود.
استخراج کلسترول (C_27 H_45 OH) از چربی گاو به وسیله دی اکسیدکربن فوق بحرانی
اگر چه چربی وگوشت گاو یک ماده غذایی پرمصرف است اما وجود مقدار زیاد کلسترول در آن باعث شده که برای اکثر مردم غیرقابل استفاده باشد. روش سنتی استخراج کلسترول, به وسیله مقدار زیادی حلال های کلردار مانند( DCE ) بوده است که سرطان زا هستند.
وادارامن و همکارانش در سال 2005 استخراج کلسترول از چربی گاو را با استفاده از دی اکسیدکربن فوق بحرانی بررسی کرده اند. مقدار کلسترول استخراج شده با افزایش فشار یا افزایش شدت جریان Co2 , افزایش می یابد.

استخراج روغن زرده تخم مرغ (EYO) به وسیله دی اکسید فوق بحرانی
پودر زرده تخم مرغ (EYP) حاوی مقدار زیادی فسفولیپید است. فسفولیپید در صنایع غذایی, دارویی و آرایشی کاربرد زیادی دارد. زرده تخم مرغ علاوه بر فسفولیپید دارای کلسترول, گلیسرید, پروتئین و رطوبت است. قسمت عمده زرده تخم مرغ را کلسترول تشکیل داده است, برای به دست آوردن فسفولیپید بهتر است کلسترول از آن استخراج شود. به تازگی برای استخراج EYO , از دی اکسیدکربن فوق بحرانی استفاده می شود.
پودر کردن روغن نارگیل به وسیله دی اکسیدکربن فوق بحرانی
یکی دیگر از کاربردهای سیالات فوق بحرانی به فرایند انبساط سریع محلول فوق بحرانی (RESS) مربوط می شود. در این روش با انبساط سریع سیال فوق بحرانی, ذرات حل شده در آن به صورت پودر با توزیع اندازه یکنواخت از سیال فوق بحرانی جدا می شود.
در صنایع شکلات سازی از روغن نارگیل به وفور استفاده می شود. برای استفاده بهتر و نیز نگهداری آسانتر, روغن نارگیل بهتر است به صورت پودر و به صورت کریستال های V شکل تولید شود.
استخراج اسیدهای چرب از روغن سویا
روغن سویا از پرمصرف ترین روغن های دنیاست. در حال حاضر روغن سویا54 درصد از روغن های موجود در بازار را تشکیل می دهد. در تولید روغن سویا مقدار زیادی مواد به عنوان لجن سویا به صورت جانبی تولید می شود. این محصول جانبی در طی مراحل تصفیه, تولید می شود که از اجزای زیادی از جمله توکوفرول (ویتامین E ) ، استرول ، کامپسترول ، سیسترول , اسکوآلن و اسیدهای چرب تشکیل شده است. غلظت توکوفرول یا ویتامین E در لجن سویا,10 تا13 درصد است. این ماده به عنوان آنتی اکسیدان و به عنوان افزودنی در صنایع غذایی استفاده می شود. استرول موجود در لجن سویا که غلظت کمی هم دارد یک ماده خام بسیار مهم در تولید هورمون ها و ویتامین ها است. اسکوآلن نوعی هیدروکربن است که بیشتر در تولید مواد آرایشی مو و در سنتز کلسترول به کار می رود. مِندز و همکارانش در سال 2001 استخراج سایر مواد موجود در لجن سویا را به منظور بالا بردن غلظت ویتامین E موجود در آن مورد بررسی قرار دادند.
کاربرد سیالات فوق بحرانی در صنایع دارویی
یکی از جدید‌‌‌‌‌‌‌‌‌ ترین کاربردهای سیالات فوق بحرانی, استفاده از آنها به منظور بلورسازی مواد است. در صنایع پلیمری, دارویی و تولید مواد منفجره برای تولید محصول با توزیع اندازه مناسب, از فرایند باز تبلور استفاده می شود؛ به ویژه در صنایع دارویی, تولید کریستال های یکنواخت از نظر توزیع اندازه ذرات, در داروهای تزریقی بسیار مهم است.
بررسی های انجام شده نشان داده است در فشار90 بار, بعد از گذشت150 دقیقه و در فشار170 بار, بعد از گذشته60 دقیقه, تقریباً تمام اسیدهای چرب استخراج می شوند.
کاربرد سیالات فوق بحرانی در صنایع نفت و پتروشیمی
خواصی مانند انتقال جرم, زمان استخراج کم وجدا سازی آسان حلال از مواد استخراج شده, باعث شده که سیالات فوق بحرانی در صنایع نفت و پتروشیمی کاربرد زیادی داشته باشند. از سیالات فوق بحرانی برای استخراج بسیاری از ترکیبات نفتی مانند پارافین ها, آروماتیک ها و ترکیبات گوگردی استفاده می شود. همچنین از سیالات فوق بحرانی برای تبدیل ترکیبات سنگین نفتی به ترکیبات سبکتر و برای بازیابی بسیاری از کاتالیست های غیرفعال شده استفاده می شود. در سال1992 آژانس محافظت محیط زیست آمریکا (EPA) استخراج هیدروکربن های مورد نیاز صنعت پتروشیمی از نفت خام به وسیله سیال فوق بحرانی را به عنوان بهترین تکنولوژی در دسترس, اعلام کرده اند.
کاربرد سیالات فوق بحرانی در صنایع پلیمر
در صنایع پلیمر توزیع اندازه ذرات پلیمر تولید شده بسیار مهم است. در روش های معمول برای تغییر توزیع اندازه, ذرات را خرد می کنند یا می سایند, اما بسیاری از مواد را نمی توان به آسانی توسط فرایند خرد کردن به اندازه دلخواه درآورد. یکی از روش ها برای تولید پلیمر با توزیع اندازه مطلوب روش باز تبلور است. از سیالات فوق بحرانی می توان برای گستره وسیعی از مواد به عنوان عامل باز تبلور استفاده کرد. چندین روش برای استفاده از سیالات فوق بحرانی در باز تبلور مواد جامد پلیمری وجود دارد که فرایند گاز ضد حلال (GAS) و فرایند انبساط سریع محلول فوق بحرانی (RESS) از جمله آنهاست. کاربرد دیگر سیالات فوق بحرانی در صنایع پلیمر, جداسازی منومر از پلیمر است. در زیر یکی از کاربردهای سیالات فوق بحرانی در صنعت پلیمر بیان می شود.

پودر کردن پلی اتیلن گلیکول به وسیله دی اکسیدکربن فوق بحرانی
در گذشته پودرکردن پلی اتیلن گلیکول به وسیله حلال های آلی مانند آلکان ها, آلکن (C1-C5) و (CFCs) انجام می گرفت. در سال های اخیر تلاش های زیادی برای کاهش تخلیه گازهای مضر به اتمسفر و یا جایگزینی حلال های بی ضرر انجام شده است. فرایند (RESS) با حلال دی اکسیدکربن فوق بحرانی, روشی مناسب برای پودر کردن پلی اتیلن گلیکول است.

نتیجه گیری :
در این مقاله برخی از کاربردهای سیالات فوق بحرانی از جمله جداسازی اجزا از مخلوط, تولید پودر با توزیع اندازه مناسب, استخراج مواد موثر و تولید انرژی بیان شده است. اما پتانسیل این روش خیلی بیشتر از کاربردهای محدود بیان شده در این مقاله است.
در سال های اخیر, در دانشگاه های مختلف داخل کشور, پروژه های متعدد تحقیقاتی درباره سیالات فوق بحرانی اجرا شده است.
با توجه به نتایج به دست آمده در داخل کشور و حجم قابل توجه نتایج و مقالات منتشر شده در منابع علمی خارج از کشور, زمان آن فرا رسیده که بررسی های لازم برای اجرای این فرایند در مقیاس نیمه صنعتی و صنعتی انجام شود. این بررسی ها می توانند سمت و سوی تحقیقات آینده را در این زمینه در داخل کشور مشخص کنند.

مراجع:
Y. A . Cengel and M. A . Boles, Thermodynamics An Egineering Approach, 5th ed, McGraw-Hill, 2006.
R . E . Sonntag , C . Borgnakke and G . J .Van Waylen, Fundamentals Of Thermodinamics,6th ed,Wiley,2002
Y . Fukushima , Application Of Supercritical Fluids, R&D Review Of Toyota CRDL Vol 35 No.1
M. Perrut , supercritical Fluid Applications Industrial Developmentand Economic Issues, SEPAREX 5, rue Jacques Monod F-54250 Champigneulles.
Iran Engineering Reference Encyclopedia
Iranian Chemical Engineers Website
سید محمد ارزیده، ایرج گودرزنیا، بررسی تاثیر شرایط عملیاتی بر استخراج برشهای هیدروکربنی از نفت خام با دی اکسید کربن فوق بحرانی ، نشریه علوم و مهندسی جداسازی دوره سوم، شماره دوم، سال 1390 ، صفحه ا تا 12

ناحیه کاربری

فرمت ایمیل صحیح نمی باشد. ایمیل خود را وارد نمایید.

رمز عبور خود را وارد نمایید.

گزیده ها
گزیده های پر بیننده ترین اخبار روز و هفته
گزیده های وبگردی و اخبار جذاب
گزیده های وبگردی و اخبار جذاب
گزیده های پر بیننده ترین اخبار روز و هفته
مجله اینترنتی دیتاسرا
کلیه حقوق مادی و معنوی این وبسایت متعلق به گروه نرم افزاری دیتاسرا می باشد.
Copyright © 2015