PARS TARAVA FARAYAND CO.

 تراوش تبخيری     Pervaporation

فن­آوری جداسازي غشایی در سالهای اخير رشد چشمگيري داشته و با بهره­گيري از ويژگي­ها و توانايي­هاي خاص خود توانسته است براي بسياري از فرآیندهاي کلاسيک جداسازي رقيب قدرتمندي به شمار آيد. فرآیند تراوش تبخيري يکي از فرآیندهاي مهم در فن­آوری جداسازي به کمک غشاء می­باشد که در طول 15 سال گذشته توسعه قابل قبولي درصنايع شيميايي به عنوان يک ابزار موثر به منظور جداسازي و بازيافت مخلوط مايعات داشته است و در سال­های اخير به منظور افزايش کارآيي رآکتورهاي شيميايي نيز بکار گرفته شده است که در آنها مي­توان هم خوراک ورودي به راکتور و هم محصول آن ­را تصفيه کرد.

تراوش تبخيري يک فرآیند جداسازي پيچيده است، به این معني که انتقال جرم و انتقال حرارت درآن به صورت هم­زمان اتفاق مي­افتد و پارامترهای جداسازي در آن به شدت تحت تاثير مقدار جزء تراوش کننده از غشاء در مخلوط خوراک است. اين فرآیند اساساً براي جداکردن مقادیر اندک جزء تراوش کننده از يک مخلوط مايع مناسب می­باشد. اين فرآیند جداسازي زماني جذابيت بيشتري دارد که مخلوط مايع خوراک دارای نقطه آزئوتروپ باشد. پديده آزئوتروپ زماني اتفاق مي­افتد که فازهاي بخار و مايع داراي ترکيب يکسانی از جزء قابل استخراج باشند.

از آنجایی که تقطير معمولي براي جداسازي هر مخلوطي مناسب نيست، مخلوط حلال­های آلي با آب در ناحيه­اي که حلال آلي تقريباً در حال خالص شدن است، آزئوتروپ تشکيل مي­دهند و اين امر از خلوص بيشتر حلال جلوگيري مي­کند.

فرآیند تراوش تبخيري در این سال­ها بيشتر به واسطه توانايي در آب­زدايي از هيدروکربن­هاي مايع شناخته شده است به گونه­ای که با استفاده از این فرآیند می­توان مواد آلي بسيار خالصی توليد نمود. از مهم­ترين و پر کاربردترين هيدروکربن­هاي مايع می­توان به ترکیباتی نظیر اتانول، متانول، ايزوپروپيل الکل، اتيلن گلايکول و ... اشاره نمود که کلیه این ترکیبات قابلیت خالص سازی با استفاده از فرآیند تراوش تبخیری را دارا هستند. به دلیل برخورداری از پارامترهای اقتصادی مناسب و سادگی عملیاتی، فرآیند تراوش تبخيري مي­تواند با فرآیندهاي تقطير، يکسوسازي و سایر فرآیندهای خالص سازی متداول ترکیب شود و يا حتي جايگزين آنها گردد. در حال حاضر اطلاعات مناسبی در خصوص فرآیندهاي تراوش تبخيري که در مقياس صنعتي به کار گرفته شده­اند وجود دارد به گونه­ای که می­توان کارايي آنها را ارزيابی نمود.

در فرآیندهايي که نيروي پيش برنده آنها اختلاف فشار دو سمت غشاء می­باشد مانند اولترا فيلتراسيون ((UF، ميکروفيلتراسيون (MF)، نانوفيلتراسيون ((NF و اسمز معکوس ((RO توده خوراک با گذشتن از ميان غشاهاي متخلخل خالص مي­شود و آلاينده­ها که مقادیر اندک موجود در خوراک می­باشند قادر به عبور از ميان غشاء نمي­باشند. دراين نوع فرآیندها غشاء به عنوان فيلتر يا صافي عمل مي­نمايد. اما در فرآیندهايي همچون تراوش تبخيري عکس این روند انجام مي­شود. يعني جزء آلاينده که مقدار کمي از خوراک را تشکيل مي­دهد از ميان غشاء در سه مرحله­ي جذب سطحي، نفوذ و دفع سطحي به صورت گزینش پذيری تراوش مي­نمايد و توده خوراک باقي مي­ماند.   

براي رسيدن به يک محصول خالص در اين نوع فرآیند در سمتي از غشاء که مربوط به محصول تراوش می­باشد از خلاء استفاده مي­شود. با اين کار بدون اينکه اختلاف فشار زيادي در طول غشاء ايجاد شود نسبت فشار بالايي بین دو سمت غشاء حاصل مي­گردد و جزء آلاينده به طور کامل خارج مي­شود. مزيت تراوش تبخيری اين است که از تنش و فشار مکانيکي بيش از حد به غشاء جلوگيري مي­شود. به کارگيري شرایط خلاء باعث مي­شود مايعي که از سمت خوراک به طرف غشاء حرکت مي­کند از طرف ديگر آن به صورت بخار دفع گردد. بنابراين عبارت تراوش تبخيري زماني به کار گرفته مي­شود که مخلوط خوراکي که درتماس با غشاء است حتماً مايع باشد که البته در حین تراوش از غشاء به بخار تبديل می­شود. نمایی از فرآیند تراوش تبخیری در شکل (4) نشان داده شده است. انتقال جرم به صورت گزینش پذير در عرض غشاء و به سمت فاز بخار انجام مي­شود. روش کار این فرآیند به شرح ذیل می­باشد: مخلوط آزئوتروپ حاصل از ستون تقطیر به داخل مدول غشایی منتقل می­گردد. این مدول حاوی تعدادی لوله می­باشد که در یک پوسته بسته بندی شده­اند. مخلوط بخار آب – الکل در داخل پوسته و خارج لوله جریان می یابد ، داخل لوله­ها نیز خلاء می­باشد. مولکولهای آب ابتدا به سطح غشاء زئولیتی نوع A جذب شده و سپس از آن عبور می­کنند سپس از لایه سرامیکی متخلل پایه نیز عبور کرده و وارد قسمت خلا می­شوند. در حالی­که مولکولهای الکل در سمت خوراک باقی می­مانند. در نتیجه مخلوط آب / الکل در یک فرآیند ساده پیوسته جداسازی می­گردد.

شکل 4: فرآیند تراوش تبخيري

در فرآیند تقطير هر جزئي که نقطه جوش پایين­تري داشته باشد زودتر جدا مي­شود. اما درفرآیند تراوش تبخيري جزئي که سريع­تر جذب غشاء شود و سريع­تر از ميان غشاء نفوذ نمايد زودتر جدا مي­شود. به عبارت ديگر، مکانيسم جداسازي در فرآیند تراوش تبخيري فراريت نسبي اجزاء نمی­باشد بلکه اختلاف خواص جذب سطحي و نفوذ اجزاء خوراک در غشاء می­باشد. به دليل پديده تغيير فاز گزینش پذير اجزای فاز مايع در هنگام عبور از درون غشاء و تراوش به فاز بخار به اين فرآیند تراوش تبخيری (pervaporation) مي­گويند:

Permeation + Evaporation = Pervaporation                    

به دلیل آن که سرعت نفوذ اجزاء موجود در خوراک متفاوت می­باشد، این امکان به وجود می­آید که جزئي که در خوراک غلظت کمي دارد، در محصول تراوش کرده غلظت بالايي داشته باشد. بنابراين در عمليات جداسازي غشايي موفقیت جداسازي توسط ساختار شيمي- فيزيکي غشاء تعيين مي­گردد.

همانطور که اشاره شد تقطير معمولي براي جداسازي هر مخلوطي مناسب نيست. مخلوط­ برخی از  حلال­های آلي با آب در ناحيه­اي که حلال آلي تقريباً در حال خالص شدن است، تشکيل آزئوتروپ مي­دهند و اين پديده از خلوص بيشتر آنها جلوگيري مي­کند. اگر چه براي غلبه بر پديده آزئوتروپ از تقطير آزئوتروپي با استفاده از يک حلال کمکی استفاده می­شود ليکن همان طور که اشاره شد اين نوع تقطير به هزينه سرمايه­گذاري بالايي نياز دارد و همين عامل مانع از آن شده است که در صنعت فراگير شود. بنابراین استفاده از فرآیند تراوش تبخيري براي آب­زدايي از اين مخلوط­ها بسیار مناسب­تر می­باشد.

مخلوط­هايي هم وجود دارند که آزئوتروپ آن­ها در غلظت­های ميانی تشکيل مي­شود. در چنين حالاتي مقرون به صرفه نيست که تنها از فرآیند تراوش تبخيري براي جداسازي کامل استفاده شود. در اين حالت يک فرآیند ترکيبي که از تقطير و تراوش تبخيري تشکیل شده باشد مفيدتر می­باشد. به این شکل که نقطه آزئوتروپ توسط تراوش تبخيري شکسته مي­شود. و مابقی خالص سازی توسط تقطیر انجام می­پذیرد. نمونه­ای از یک فرآیند ترکيبی تقطیر - غشاء در شکل (5) نشان داده شده است.

شکل 5: نمايي از فرآیند ترکيبی تقطير/ تراوش تبخيري براي جداسازي مخلوط آزئوتروپ

با به کارگيري فرآیندهاي ترکيبی به جاي فرآیندهاي منفرد مي­توان درهزينه سرمايه­گذاري و هزينه عملياتي واحد صرفه جويي نمود. یک مقايسه اقتصادی بین فرآیند تقطير و فرآیندهای ترکيبی تقطير - تراوش تبخيری در جدول (2) ارائه شده است.

جدول 2: مقايسه هزينه­های تخليص دي متيل کربنات به روش تقطير و فرآیند ترکيبی تقطير -  تراوش تبخيری

اما در حالتي که تفاوت بین ضریب فراريت مواد براي جداسازی آنها به روش تقطیر نسبتاً کوچک باشد، با استفاده از غشاهايي که داراي گزینش پذيري بالاتری نسبت به گزینش پذيري تعادل مايع- بخار می­باشند، ترکيب فرآیندهاي تراوش تبخيري وتقطير به صورت شکل (6) تغيير می کند.

شکل 6: نمايي از يک فرآیند ترکيبی تقطير - تراوش تبخيري براي جداسازي مخلوط­هايي با نقطه جوش نزديک

به طور خلاصه فرآیند تراوش تبخيري از مزایای متعددي در صنايع برخوردار می­باشد که مي­توان به برخی از آنها اشاره کرد:

1- کاهش مصرف انرژي با توجه به بالا بودن بهاي انرژي

2- هزينه پايين سيستم غشایی (اعم از هزينه­های سرمايه گذاري و عملياتي)

3- بالاترين راندمان جداسازي ممکن بدون وجود محدوديت­هاي ترموديناميکي مانند آزئوتروپ

4- حجم اندک و پیوستگی واحدهای غشایی

5- رعایت شاخص­هاي زيست محيطي موجود

6- انجام عمليات در حالت حلقه بسته و حداقل پساب

7-              امکان ساخت واحدهاي كوچك و فشرده با هزينه اوليه پايين به منظور جايگزينی با واحدهاي موجود

8- معرفی فن­آوری ساخت غشاهاي غيرآلي مانند غشاهاي زئوليتی. اين نوع غشاها داراي ویژگی­های چند منظوره همراه با پايداري حرارتی، مکانیکی و شیمیایی بالا مي­باشند. به علاوه اینکه مورد حمله بيولوژيکي قرار نمي­گيرند.

Send mail to info@parstarava.com with questions or comments about this web site.