اتانول و آب در ترکیب درصد ۹۶% اتانول و ۴% آب تشكيل آزئوتروپ مي دهند لذا با استفاده از تقطير جزء به جزء از اين نقطه به بعد اتانول خالص تر نمي شود. براي آبگيري از اتانول بايد از روشهايي استفاده کرد كه بر مبنای انتقال جرم بين فاز بخار و مايع عمل نمي كند، همچون فرايندهاي جذب، جداسازي غشايي يا استخراج. بطور سنتي از تقطير آزئوتروپيك با استفاده از حلال غير قطبي هيدروكربني همچون بنزن يا سيكلوهگزان استفاده مي شود كه با توجه به اينكه مقداري از حلال هيدروكربني در اتانول باقي مي ماند در بسياري از مصارف بخصوص مصارف دارويي قابل استفاده نيست و با توجه به هدر رفت مقداري از حلال و اتانول و همچنين مصرف انرژي بالا روش بسيار پر هزينه اي است. پيشنهاد مجموعه صنایع شیمیایی سبز پارسیان، آبگيري از اتانول به روش PSA يا TSA و همچنين تكنولوژي تراوش تبخيري است كه بصورت case study توضيح داده خواهد شد؛
1-آبگيري از اتانول با استفاده از تكنولوژي تراوش تبخيري؛
تراوش تبخيري يكي از نوترين و پيچيده ترين تكنولوژي هاي روز دنياست. همانطور كه در بخش آبگيري از حلال هاي آلي توضيح داده شد مهمترين قسمت فرايند تراوش تبخيري، غشاهاي آبدوست است. غشاهاي آبدوست از جنس زئوليت، پليمر، پليمر زئوليت و سيليكا در حال حاضر بصورت تجاري موجود است كه غشاهاي زئوليتي بر اساس اندازه مولكولي و ديگر غشاها بر اساس قطبيت قادر به جداسازي آب و حلال ها از يكديگرند. غشاهاي زئوليتي قادر به تحمل فشار و دماي بالاتر هستند لذا راندمان بالاتري از انواع ديگر غشاها دارند. براي آبگيري از اتانول به طور خاص غشاهاي زئوليتي مناسبترند. غشاهای پليمري گزينش پذيري كمي دارند و به طور معمول در پساب حاصل از فرايند حداقل ۱۰ درصد اتانول وجود دارد كه هزينه جداسازي اين اتانول از آب چه از لحاظ تجهيزات و چه هزينه هاي متغير جداسازي، از صرفه اقتصادي خارج است. همچنين دور ريختن آب عبور كرده از غشاهاي پليمري، بدون تصفیه کردن، از نظر محيط زيستي توجيه پذير نيست و به تنظيم BOD در استخر نگهداري فاضلاب قبل از رهاسازي نیاز است و همچنين اتانول باقي مانده در مخلوط به هدر رفت محصول اضافه مي شود. برعكس غشاهاي پليمري غشاهاي سيليكاي بهينه شده و غشاهاي زئوليتي گزينش پذيري بالايي دارند و با تشديد متغييرهاي فشار و دما در غشاهاي زئوليتي مي توان راندمان (شار) بالاتري از غشاهاي سيليكاي بهينه بدست آورد. نكته مهم در انتخاب نوع غشاهاي زئوليتي اندازه حفرات غشاست كه در آبگيري از اتانول ۳ آنگستروم اندازه مناسب است چرا كه از عبور اتانول به خوبي جلوگيري مي كند و كاهش شار با فشار و دماي بالا را مي توان جبران نمود. در فرايند آبگيري از اتانول با غشاهاي زئوليتي، دما ۱۲۰ درجه سانتيگراد، فشار ۳ اتمسفر، فشار خلاء در داخل لوله هاي غشا برابر ۱۰Kpa و دماي دام سرد با استفاده از سيستم توليد يخ خشك اتوماتيك از گاز كربنيك ۴۵oC- است. ميزان اتانول موجود در پساب كمتر از ۱ درصد و شار ميانگين ۳Kg/m2.h اندازه گيري شده است. با در نظر گرفتن خوراك اتانول ۹۰% وزني، هر متر مربع غشا قابليت آبگيري از ۳۰ كيلوگرم اتانول در هر ساعت را دارد پس در محاسبه ظرفيت براي مثال براي توليد يك تن بر ساعت اتانول مطلق ۹۹٫۸% نياز به ۳۳ متر مربع غشا زئوليتي هست.
واحد تراوش تبخیری
2-آبگيري از اتانول با استفاده از تكنولوژي PSA و TSA؛
تكنولوژي PSA و TSA به تفصيل در بخش فرايند آبگيري از حلال هاي آلي توضيح داده شده است. استفاده از تكنولوژي جذب در ايالات متحده و برزيل با استقبال بي سابقه اي روبرو شده و با وجود افزايش روز به روز هزينه هاي انرژي، هنوز تكنولوژي تراوش تبخيري به دليل پيچيدگي بالا در ساخت و تعميرات و همچنين قيمت بالاي تجهيزات قادر به رقابت با تكنولوژي جذب در صنعت توليد اتانول نيست. هرچند در هر دو فرايند PSA و TSA مقدار زيادي انرژي مصرف مي شود اما همچنان در مقایسه با تقطير آزئوتروپيك بيش از ۳۰ درصد صرفه جويي در انرژي و كيفيت بالاتري از محصول را بدست مي دهد. از اين دو فرايند مي توان همچون تراوش تبخيري براي توليد اتانول سوختي و يا اتانول مطلق دارويي استفاده نمود چرا كه طی فرايند ناخالصی به مخلوط آب و اتانول اضافه نمي شود. مزيت فرايند PSA و TSA نسبت به تراوش تبخيري در قابليت معرفي خوراك كثيف و حاوي ناخالصي غير فرار به سيستم است كه در واقع با تبخير كردن حلال قبل از فرايند جذب، يك مرحله رنگبري اجباري نيز طی می شود. البته طراحي و ساخت تجهيزات بايد به گونه اي باشد كه ضايعات در فاز مايع بصورت “مه” يا از طريق تشكيل فوم به مواد جاذب نرسند چرا كه باعث بسته شدن مسير حركت بخار محصول و در خفيف ترين حالت كاهش راندمان آبگيري مي شود يا در صورت افزايش ناگهاني فشار موجب انفجار وسل ها ميشود.
1-2-Pressure Swing Adsorption یا به اختصار PSA
خوراك فرايند اتانول ۹۰% وزني با نرخ ۲ تن بر ساعت توسط يك تبخير كننده كتل تايپ تبخير شده و توسط سوپر هيتر به ۱۲۰ درجه سانتيگراد مي رسد. سپس بخارات به ستون جاذب وارد شده و با دماي ۱۵۰ درجه سانتيگراد از ستون با درصد آب كمتر از ۵۰۰ ppm خارج شده و توسط كندانسور مايع شده و جمع آوري مي گردد. ستون ديگر تحت وكيوم ۵۰ mbar و با پرج گاز نيتروژن در حال بازيابيست. در حالتي كه دسترسي به گاز نيتروژن نباشد امكان بازيابي با استفاده از پرج اتانول خالص به عنوان گاز پرج مي توان ستون جاذب را بازيابي نمود. طراحي تجهيزات PSA در مرحله بازيابي شامل حرارت دهي، كاهش فشار و پرج گاز اهميت زيادي دارد چرا كه تفاوت اندكي در فشار و دماي بازيابي يا حجم گاز پرج مي تواند راندمان را تا كمتر از ۱۰ درصد لازم كاهش دهد.
2-2-Temperature Swing Adsorption یا به اختصار TSA
در اين فرايند خوراك فرايند اتانول همچون قبل ۹۰% وزني در دماي محيط و با فشار اتمسفريك به آرامي از ستون جاذب عبور كرده و با خلوص تا ۹۹٫۸% از ستون خارج مي شود. هر چند بازيابي ستون جاذب در اين نوع فرايند بسيار وقت گير و انرژي بر است، سادگي فرايند در زمان جذب و راندمان جذب بالاتر مولكولارسيو ها اين فرايند را جذاب مي كند. براي بازيابي مولكولارسيو در ستون جاذب دو روش وجود دارد؛
۱-وكيوم به همراه گاز داغ
۲-گاز داغ با حجم بالا
از سيستم TSA مي توان به راحتي براي آبگيري از اتانول و بسياري از حلال هاي آلي استفاده نمود هرچند آبگيري از حلال هاي سبك قطبي مثل متيل استات، اتيل استات و استون پيشنهاد نمي گردد. دليل در نحوه توليد مولكولارسيو نهفته است؛ زئوليت ۳A بصورت خاك سفيد رنگ بصورت تجاري موجود است كه بدليل ساختار فيزيكي آن قابل استفاده در تجهيزات آبگيري نيستند. براي اين منظور خاك زئوليت بايد توسط بايندر مخصوصي بصورت گل در آمده و توسط تجهيزات مكانيكي بصورت ساچمه يا ميله در آمده و پخته شود. بايندرهايي كه در توليد مولكولارسيو استفاده مي شوند مقاومت نسبتاً خوبي در مقابل فاز بخار حلال دارند و در مقابل فشار و دماي بالا مقاوم اند اما در تماس با حلال مايع مثل استون و حتي اتانول طول عمرشان به شدت كاهش يافته و در حين پروسه نيز مقداري از آن در حلال حل شده و حلال شفاف را زرد رنگ مي كند. همچنين با توجه به اينكه فرايند جذب به شدت گرماده است، در آبگيري جذبي از حلال هاي سبك همچون استون و متيل استات احتمال به جوش آمدن حلال نيز هست و اگر تجهيزات خنك كننده ستون تعبيه نشده باشد هم از راندمان جذب مي كاهد و هم خطرات زيادي دارد. از سيستم TSA به خوبي مي توان در آبگيري از حلال هاي الكلي سنگينتر همچون ايزوپروپيل الكل و بوتانول استفاده نمود.