جداسازی حلال ها از جامدات (رنگبری و رسوب زدایی از حلال های آلی)          Separation of solvents from solids

فرايند رنگبري حلال ها؛

در فرايند توليد يا بازيافت حلال هاي آلي اکثراً حلال ها آلوده به طيف وسيعي از مواد غير فرار جامد هستند و معمولاً در صورت مايع بودن، ويسكوزيته و نقطه جوش  بالايي دارند. در صنعت بازيافت، اين نوع حلال ها معمولاً درشست و شوي تجهيزات يا در توليد مواد پايين دست و سنتزي بوجود مي آيند و در فرايند توليد حلال ها بخصوص حلال هاي نفتي، ‌هيدوركربنهاي سنگين، روغن ها، واكس، قير،  محصولات جانبي يا مقدار باقیمانده از واکنشگر اضافی  و كاتاليزور، اجزا تشكيل دهنده آن هستند.

در طراحي سيستم هاي رنگبري حلال هاي آلي دو مساله بايد مد نظر قرار بگيرند؛
۱-تشكيل واكنش گرماده یا Exotherm reaction 

يكي از خطرناك ترين اتفاقاتي كه در فرايند رنگبري حلال هاي آلي اتفاق مي افتد واكنش ناخالصي هاي موجود در حلال در اثر حرارت است كه بعضاً موجب انفجار و صدمه مالي و جاني مي شود. در خفيف ترين حالت مي تواند موجب صدمات جدي به تجهيزات يا توقف توليد شود. شركت صنايع شيميايي سبز پارسيان با تست هاي آزمايشگاهي دقيق حلال هاي ضايعاتي را تحت دما و فشار هاي بالاتر از فرايند صنعتي قرارداده تا آستانه واكنش دهندگي حلال ضايعاتي را بدقت اندازه گيري كرده تا حين انجام فرايند بازيافت از تشكيل اگزوترم جلوگيري شود.

بسياري از واكنش هاي شيميايي انرژي اكتيواسيون در حدود ۲۰-۳۰ كيلوكالري بر مول دارند كه در بازه ي ۱۰۰-۲۰۰ درجه سانتيگراد با هر ۱۰ درجه افزايش دما سرعت واكنش دو برابر مي شود. لذا ۲۰ تا ۳۰ درجه سانتيگراد دماي كمتر، حاشيه امني در حدود ۴۰۰ درصد حاصل مي کند.  بنابراین تجهيزات رنگبري حلال بايد از كنترلرهاي دقيق دمايي برخوردار باشند به همين دليل استفاده از روغن داغ يا الكتريسيته توصيه نمي شود و بخار تحت فشار بهترين انتخاب براي كنترل دما است.

در بسياري مواقع نه تنها دماي خوراك تعيين كننده وقوع واكنش است بلكه مدت زماني كه خوراك در آن دما باقي مي ماند نيز تعيين كننده است. با توجه به اينكه تجهيزات متداول رنگبري حلال مخازن بزرگ تبخيركننده دارند، خطر باقي ماندن خوراك در دماي بالا به مدت طولاني تهديد كننده است. لذا پيشنهاد شركت صنايع شيميايي سبز پارسيان تبخيركننده هاي كوچك پيوسته با فشار كاهش يافته و يا تبخيركننده هاي لايه نازك (Thin film evaporator)، مسير كوتاه يا فيلم پاك كننده (Wiped film evaporator) تحت ويكيوم است. در فرايندهايي كه حتي با كاهش فشار ممكن است دماي تبخير كننده به محدوده خطر نزديك شود، لازم است که تمهيداتي جهت تخليه و خنك سازي سريع و اتوماتيك در تجهيزات فراهم گردد.

۲-رسوب دهي ضايعات روي سطوح انتقال حرارت

با گذر زمان در فرآيند تبخير، غلظت حلال نسبت به ناخالصي هاي ديگر به تدريج كمتر شده و احتمال رسوب گذاري نمكهاي معدني، پليمرها، رنگ و قير روي سطوح انتقال حرارت بيشتر مي شود. دليل اين پديده كاهش بيشتر غلظت حلال در مجاورت سطوح انتقال حرارت در مقايسه با ديگر نقاط تبخيركننده است. براي جلوگيري از اين اتفاق اقدامات ذيل پيشنهاد مي گردد؛

۱-۲-حذف سطوح انتقال حرارت (تماس مستقيم سيال داغ با حلال خوراك)؛
تكنولوژي هايي كه در آن سطوح انتقال حرارت حذف شده و سيال داغ مستقيماً با حلال ضايعاتي در تماس است به سه دسته تقسيم مي شود:

تبخير با تزريق مستقيم بخار آب

تبخير با تزريق بخار حلال

حمام روغن

که در ادامه هریک به تفصیل شرح داده می شوند.

تبخیر با تزریق مستقیم بخار آب

تمامي حلال هاي آلي كه نقطه جوش زير ۱۰۰ درجه سانتيگراد دارند و حلال هاي غيرقطبي را مي توان با تزریق مستقيم بخار آب به خوراك، تبخير نمود. لذا طيف وسيعي از حلال هاي آلي را مي توان با اين روش تبخير كرد. مزيت اين روش عدم وجود سطوح انتقال حرارت است كه در این حالت از گرفتگي و رسوب دهي روي سطوح جلوگیری می شود. همچنين با توجه به اينكه حلال تحت دمايي پایین تر از ۱۰۰ درجه سانتی گراد تبخير مي شود، احتمال تشكيل اگزوترم نيز به شدت كاهش مي يابد.

به همين دليل تبخير با بخار مستقيم براي جداسازي ۱۰۰ درصد حلال موجود در ضايعات، بخصوص حلال هايي كه نقطه جوش كمتر از ۷۰ درجه دارند، روش مناسبي است. در اين روش ميزان بخار آب مصرفي جهت تبخير نمودن مقدار مشخصي حلال، با فرمول فشار بخار مستقيم قابل محاسبه است.

مثال؛ تقطير تولوئن با بخار مستقيم

رنگبري حلال تولوئن ضايعاتي مخلوط با مواد نافرار مثل رنگ، روغن و قير با استفاده از سيستم تبخير با تزريق مستقيم بخار، امکان پذیر است. تبخير شدن تولوئن توسط بخار در مواقعي كه مجموع فشار بخار حلال و فشار بخار آب به فشار اتمسفريك برسد انجام مي شود. با تغيير تركيب درصد تولوئن همراه با ناخالصي ها، در رسيدن به غلظت ۵۰% ناخالصي و دماي بخار ۹۰ درجه سانتيگراد، محصول حاوی ۳۴٫۵% آب خواهد بود. با كم شدن غلظت تولوئن در مقابل آب، ميزان آب موجود در حلال تقطير شده بيشتر خواهد شد تا زماني كه كل حلال تبخير شود.

در اين فرايند بخار آب نه تنها تأمين كننده دماي تبخير بلكه گاز حامل تولوئن نیز هست كه در حالتي كه دماي جوش تولوئن از دماي مؤثر بخار اتمسفريك آب (۹۵ درجه سانتيگراد) بالاتر است بازهم موجب تبخير و حمل تولوئن مي شود. بخار در اين حالت از كندانسور عبور كرده و گرماي آن به هدر مي رود. براي مصرف بخار كمتر،  فشار كاهش يافته باعث كاهش دامنه تبخير مخلوط آب و تولوئن شده و مقدار بيشتري از بخار كندانس شده و قابل استفاده مجدد خواهد بود.

در اين فرايند در صورتي كه بخار از ديگ بخار با فشار حداقل ۸ بار تأمين شده باشد، تا قبل از تبخير شدن تولوئن با از دست دادن دما و كندانس شدن موجب رسيدن تولوئن به دماي جوش مي شود و از آنجا به بعد گرماي نهان تبخير را به تولوئن مي دهد.

از اين فرايند نمي توان در فرايندهاي رنگبري حلال هاي آلي مخلوط استفاده نمود چرا كه احتمال افزايش ضايعات حلال و همچنين عوض شدن تركيب درصد حلال هست. بيشترين حلالي كه در مخلوط حلال هاي آلي براي اين روش دردسر ايجاد مي كند متانول است. متانول و در كل الكل هاي سبك به هر نسبتي  در آب حل شده و همچنين با بيشتر حلال ها نیز قابلیت انحلال دارند؛ متانول نه تنها موجب تشكيل آزئوتروپ با آب شده بلكه ميزان قابل توجهي از حلال هاي ناقطبي را در آب حل كرده و باعث حل شدن آب در فاز حلال نيز مي شوند؛ در نتيجه دو فاز حلال و آب با ناخالصي هاي زياد ايجاد مي شود كه هر دو فاز نياز به جداسازي و تصفيه هزينه بر دارند.

استفاده از اتمايزر (Atomizer) در بخاردهي مستقيم؛

در اكثر مواقع ضايعات غيرفرار در هنگام تماس با بخار آب داغ ، حلال را رها كرده و تبديل به بالشتك هاي حاوي آب مي شوند اما در برخي مواقع ضايعات مواد غير فرار رزيني هستند كه آب ماده فعالساز آن بوده و همراه با حرارت Cure مي شوند و مقداري از حلال را در خود نگه مي دارند كه ديگر با بخاردهي آزاد نمي شود. چاره گذر از اين مشكل استفاده از اتومايزرهاي بخار تحت فشار است كه مواد را بصورت ذره هاي بسيار كوچك در آورده و با استفاده از انژكتور بخار حلال را از بافت ضايعات تبخير مي كند.

سوال: اگر حلال آلي ضايعاتي  نقطه جوش بالاي ۱۰۰ درجه و ضايعات غير فرار بيش از ۲۰ درصد داشته و در آب بصورت جزئي يا كلي حل شود چه بايد كرد؟

تبخیر با بخار حلال

با وجود اينكه تزریق بخار آب در تقطیر بسياري از حلال هاي آلي روش كارآمدي است، رنگبري حلال هاي با نقطه جوش بالاي ۱۰۰ درجه كه بطور كلي يا جزئي در آب حل مي شوند، مشكلاتي همچون نزديكي نقطه جوش، تشکیل آزئوتروپ و صرف انرژي زياد براي جداسازي به روش تقطير مجدد را به همراه دارد. حلالي كه با آب تشكيل آزئوتروپ مي دهد پس از تقطير با بخار آب، حاوي حداكثر ميزان آب ممكن است كه اين آب بايد با متدهاي آبگيري از حلال هاي آلي جدا شود.

فرايند ساسماير (Sussmeyer):

ساسماير روش تبخير حلال بدون سطوح انتقال حرارت (مبدل) است. اين فرآيند متكي بر بخار فوق داغ شده خود حلال است كه از مخزن حلال كثيف برخواسته است. در اين فرآيند يك فن بخارات حلال را از سطح مخزن حلال ضايعاتي تبخير كرده و به داخل يك سوپر هيتر روانه مي كند. بخارات حلال سوپرهيت شده مجدداً به داخل حلال ضايعاتي حباب زده و بدين صورت حرارت به حلال ضايعاتي منتقل شده و تبخير به تدريج افزايش مي يابد.

زماني كه فشار بخار حلال افزايش يابد بخارات مازاد كه براي حرارت دادن به ضايعات مورد نياز نيستند به كندانسور هدايت شده و به عنوان محصول جمع آوري مي گردد. در اين روش بر خلاف تزريق بخار آب مستقیم، از تشكيل فوم هم خبري نيست و حلال جمع آوري شده در صورتي كه از اول در خود آب نداشته باشد آماده مصرف است. اين فرآيند نيز در فشار كاهش يافته امکان پذیر است تا حلال هاي با نقطه جوش تا ۲۰۰ درجه سانتيگراد را نيز رنگبري كند.

تجهيزات رنگبري حلال هاي آلي به روش تبخير با بخار حلال با ظرفيت هاي ۱۰۰ تا ۱۰۰۰ كيلوگرم بر ساعت خوراك قابل عرضه است. اين فرآيند براي تبخير حلال هايي كه در خود آب دارند راندمان پايين تري دارد و فرايندهاي جايگزين ديگر پيشنهاد مي گردد. در اين فرايند نيز همانند تبخير با بخار آب امكان اضافه نمودن برج تقطير سر راه بخار محصول وجود دارد اما محاسبات بايد با راندمان بالاتر انجام گردد زيرا كه ريفلاكس حلال از سر برج از راندمان تبخير مي كاهد.

به طور خلاصه مزايای تزریق بخار حلال نسبت به تزریق بخار آب بصورت ذيل است؛

۱-عدم اضافه شدن آب به حلال پس از بازيافت؛

۲-قابليت امحاء ضايعات بدون سوزاندن؛

۳-قابليت انجام فرايند در فشار كاهش يافته (وكيوم)؛

۴-عدم تشكيل فوم؛

۵-راندمان انتقال حرارت بالا؛

۶-قابليت بازيابي تا ۹۵% حلال؛

حمام روغن داغ

فرآيند ديگري كه بدون استفاده از سطوح انتقال حرارت در مبدل حلال را تبخير مي كند حمام روغن داغ است. در اين فرايند يك حمام از سيال با دماي ثابت (معمولاً روغن) به عنوان تأمين كننده حرارت قرار دارد. حلال ضايعاتي از ورودي خوراك به روي سطح سيال ريخته و تبخير مي شود. ضايعات به جاي مانده به انتهاي مخزن سقوط مي كند.

اين روش براي تبخير حلال هايي كه حساسيت دمايي دارند و در صورتی که برای مدت طولاني تحت دماي بالاتر قرار گيرند، تجزيه يا پليمر می شوند مناسب است. همچنين ضايعات حلال نبايد در سيال داغ محلول باشد تا بتوان با فيلتراسيون سيال داغ را بازيابي كرد. اما در صورتي كه ميزان ناخالصي ها كم و ارزش حرارتي بالايي داشته باشند اگر در سيال نيز حل شد مي توان از اين سيال به عنوان سوخت استفاده نمود. در اين حالت ضايعاتي نيز براي امحا باقي نمي ماند و صرفه جويي قابل توجهي در فرايند امكان پذير مي شود.

۲-۲-جلوگيري از تبخير در مجاورت سطوح انتقال حرارت در مبدل های پوسته-لوله و ژاکت دار؛

جامدات محلول در حلال معمولاً در زمان فوق اشباع شدن حلال رسوب مي دهند. فوق اشباع شدن حلال بدليل تبخير حلال و افزايش غلظت جامد روي مي دهد. نقطه اي كه حلال عمدتاً بصورت حباب تغيير فاز ميدهد در مجاورت سطوح انتقال حرارت است لذا در همين نقطه تشكيل لايه رسوبات روي سطوح و جلوگيري از انتقال حرارت اتفاق مي افتد. اگر از به جوش آمدن حلال در نقطه جوش روي سطوح جلوگيري شود رسوبات ديگر در مجاورت سطوح انتقال حرارت تشكيل نمي شوند و احتمال چسبيدن آن ها به سطوح بسيار كمتر است.

سيستم هاي تبخير كننده Forced Circulation:

در سيستم هاي Forced circulation مخلوط حلال و جامدات تحت فشار بيشتر از اتمسفر حرارت ديده تا به بالاتر از نقطه جوش حلال رسيده و تبخير نشود. سپس پس از رهاسازي فشار مضاعف، حلال شروع به تبخير مي كند اما چون كل حلال در دماي بالاتر از دماي جوش است حباب زدن روي سطوح انتقال حرارت اتفاق نمي افتد. اين روش براي حلال هايي كه امكان تجزيه و واكنش گرماده (اگزوترم) يا تغيير ماهيت همچون پليمريزاسيون دارند مناسب نيست.

همچنين اين تجهيز نياز به سيستم پمپاژ بسيار قوي دارد تا از سكون حلال و تشكيل رسوب جلوگيري شود. اين روش متكي بر قدرت يك پمپ سانتريفوژ است تا حلال ضايعاتي را به هم بزند و بدليل محدوديت اين نوع پمپاژ از نظر ويسكوزيته، به طور معمول نياز است تا مقادير زيادي حلال در ضايعات باقي مانده تا رسوبات قابل پمپاژ باقي بماند. با اين حال اين روش بهترين روش براي كريستال گرفتن از حلال هاي آلي مي باشد اما براي يك واحد بازيافت يا توليد حلال پيشنهاد نمي شود.

۳-۲-تخليه ضايعات باقي مانده قبل از اتمام فرآيند؛
۴-۲-تميز كردن مكانيكي سطوح؛

تبخير كننده هاي لايه نازك تجهیزاتی هستند که در این زمینه شاخص هستند.

تبخیرکننده لایه نازک

در بازيافت حلال هاي ضايعاتي، براي بدست آوردن حلال با راندمان بالا و با درصد بازگشت بالا نياز است تا بتوان ضايعات با ويسكوزيته بالا را نیز تصفيه نمود. اين مهم نيازمند تجهيزاتي است كه قابليت كار با ضايعات با ويسكوزيته بالا را داشته و همچنين ضریب انتقال حرارت بالايي داشته باشد.

تبخير كننده لايه نازك يا Agitated thin film evaporator بطور معمول شامل يه لوله ژاكت دار و يه سيستم گرداننده تيغه داخل لوله است. خوراك (حلال ضايعاتي) توسط اين گرداننده روي ديواره داخلي لوله پخش شده و رو به پايين حركت مي كند. گرداننده تيغه هايي دارد كه در فاصله بسيار كمي از ديواره لوله Close clearance و يا چسبيده به ديوارهWiped film  حركت مي كند. پخش كردن حلال روي سطح لوله باعث تلاطم در جريان مواد شده كه بصورت قابل توجهي ضریب انتقال حرارت را افزايش مي دهد. در اين روش ضايعات با ويسكوزيته بيش از ۵۰،۰۰۰ سانتي پويز قابل بازيافت خواهد بود.

در این روش در مسير حركت بخارات حاصله پكينگ هايي قرار داده مي شود تا مايعاتی که با بخارات همراه شده اند را به دام انداخته و به تبخيركننده بازگرداند كه باعث افزايش ميزان جداسازي نسبت به تبخيركننده هاي تك مرحله اي ديگر مي شود. اين روش بطور معمول در سايت هاي توليد و بازيافت حلال آلي براي تغليظ يا جداسازي بصورت پيوسته استفاده مي شود. تجهيزات ATFE به صورت كلي به دليل تلاطم بالای جريان خوراك، ضریب انتقال حرارت بالایی دارند اما به دليل پيچيدگي هاي ساخت و نگهداري تجهيزات، گران قيمت تر از ديگر تبخيركننده ها هستند. با اين حال براي كار با مخلوط هایي با ويسكوزيته هاي بالاتر از ۱۰۰ سانتي پويز، انتقال حرارت این تجهیز تا ۴ برابر تبخيركننده هاي ديگر است كه بخصوص در فرايندهاي تغليظ مواد دارويي و خوراكي كه از فلزات گران قيمت در ساخت تجهيزات استفاده مي شود صرفه زيادي دارد چرا كه حجم تجهيزات به نسبت سطوح انتقال حرارت كوچكتر است.

مزاياي سيستم تبخير لايه نازك:

۱-قابليت بازيابي مواد تا نقطه جوش ۵۰۰ درجه سانتيگراد

۲-قابليت بازيابي ضايعات با درصد حلال كمتر از ۱۰ درصد

۳-قابليت بازيابي حلال تا بيش از ۹۹ درصد

۴-قابليت بازيافت ضايعات با ويسكوزيته بيش از ۵۰،۰۰۰ سانتي پويز

۵-قابليت تغيير كاربري با هزينه اندك

۶-حجم بسيار كم تجهيزات در مقايسه با تبخيركننده هاي كتل تايپ

۷-هزينه تعمير و نگهداري معقول

۸-قابليت عرضه در اندازه هاي بسيار كوچك با ظرفیت ۲۰ ليتر بر ساعت تا مقياس صنعتي ۵۰ تن بر ساعت در هر واحد

۸-قابليت ساخت با آلياژهاي خاص جهت مصارف دارويي و غذايي

كاربردهاي تبخيركننده لايه نازك؛

1-تقطير حلال هاي آلي (رنگبري و جداسازي حلال از جامدات)

۲-استفاده به عنوان تبخيركننده در سيستم تقطير جزء به جزء

۳-تغليظ مواد پليمري از مخلوط حلال و منومر

۴-تبخير آب و تغليظ مواد غذايي (توليد سيروپ)

۵-بازيافت حلال هاي آلي با ويسكوزيته بالا

۶-تقطير ملكولي روغن تحت وكيوم

در ادامه به تفصیل در مورد هر کاربرد توضیحاتی ارائه خواهد شد.

1- تقطير حلال هاي آلي (رنگبري و جداسازي حلال از جامدات)

 

در رنگبري حلال هاي آلي با استفاده از تبخيركننده هاي لايه نازك چند نكته بايد مد نظر قرار گيرد؛

۱-تركيب درصد حلال نسبت به ناخالصي هاي غير فرار چقدر است؟

۲-ناخالصي ها پس از تبخير حلال در چه حالتي اند؟(مخلوط جامد- مايع در دماي بالا و جامد در دماي محيط، مايع در دماي بالا و در دمای محيط)

۳-آيا ناخالصي ها در عدم حضور حلال واكنش مي دهند؟

۴-آيا ناخالصي ها در دماي جوش حلال ها واكنش می دهند؟

۵-ويسكوزيته خوراك و ضايعات تبخير چقدر خواهد بود؟

۶- آيا حلال بصورت مخلوط حلال ها يا با دامنه تقطير متغير است؟

مثال؛ رنگبري حلال ۴۰۲ پالايشگاهي با دامنه تقطير ۱۴۰-۲۰۰ درجه سانتيگراد با ميزان ناخالصي ۴۰ درصد وزني شامل رزين نيتروسلولز، آب، قير، روغن و واكس است. ويسكوزيته خوراك ۳۰۰ سانتي پويز است.

تبخير كننده لايه نازك با تيغه هاي PTFE hinged wiper از جنس تفلون و استيل ضد زنگ به تعداد ۱۸ رديف ۴ تايي به گرداننده متصل است. لوله ژاكت دار به قطر ۲۲ اينچ از جنس ورق استيل ضد زنگ ۳۱۶ و سطح مقطع ۱۲ متر مربع است سيال انتقال حرارت روغن حرارتي با دماي ۲۵۰ درجه سانتيگراد است كه در ژاكت بيروني لوله در جريان است. لوله و گرداننده بصورت عمودي روي پايه فولادي نصب شده و از بالاي لوله اتصال كندانسور محيا شده است. يك پمپ خلاء گردش روغن نيز فشار سيستم را تا ۲۰ ميلي بار كاهش مي دهد. خوراك از بالاي تيغه ها و روي پخش كن گرداننده پمپ مي شود و توسط جاذبه رو به پايين حركت مي كند. تيغه ها با پخش كردن حلال حاوی رسوبات روي سطح داخلي در عين ايجاد تلاطم، دماي لازم براي تبخير را به حلال مي دهد. اولين جزء حلال ۴۰۲ در دماي ۶۰ درجه سانتيگراد (تحت خلاء) به همراه آب در كندانسور مايع مي شود. در ادامه با اتمام تبخير آب دماي جوش تا ۱۲۰ درجه سانتيگراد افزايش مي يابد. ضايعات باقي مانده با توجه به وجود قير و رزين و روغن در دماي تبخير كننده بصورت مايع باقي مانده و پس از خنك شدن مانند قير سفت مي شود لذا در تبخيركننده بايد سيستم حرارت دهي و پمپاژ مناسب براي ضايعات تعبيه شده باشد. ضايعات باقيمانده از نظر شيميايي تا دماي ۶۰۰ درجه سانتيگراد پايدار است و دماي خود اشتعالي آن بيش از ۴۵۰ درجه سانتيگراد است.

در روند این فرآیند، خوراك بصورت مايع مخلوطي از حلال هاي آلي با فراريت نسبي حداقل ۱٫۵ و تركيب شده با ضايعات غيرفرار بصورت مايع به تبخيركننده پمپاژ مي شود، بخار حلال هاي عاري از مواد غير فرار از بالاي تبخير كننده خارج و به سيني خوراك بخار برج تقطير وارد مي شود. در بالاي برج، كندانسور بخارات محصول را كندانس كرده و بخشي از محصول را ريفلاكس مي كند. در انتهاي برج حلال سنگين تر به عنوان محصول پايين برج جمع آوري و بخشي از حلال به عنوان بويل آپ مجدداً به خوراك اضافه شده و توسط تبخيركننده لايه نازك به برج باز مي گردد. قابليت تغيير خط بويل آپ به تبخيركننده كتل تايپ وجود دارد چرا كه محصول پايين برج بي رنگ و عاري از مواد غيرفرار است.

مثال؛ جداسازي آب و DMSO با استفاده از تقطير جزء به جزء و تبخير كننده لايه نازك؛

DMSO را مي توان حتي در صورت مخلوط شدن با حلال هاي فرار يا ضايعات غيرفرار با راندمان بسيار بالا از مخلوط هاي آبي جدا نمود. فرايندهاي مختلفي با تجهيزات متفاوت در بازيافت DMSO به كار گرفته مي شود اما در كليه سيستم ها استفاده از تبخيركننده و برج تقطير مشترك است و محصول بدست آمده در خلوص بسيار مناسبي بدست مي آيد.

جداسازي آب از DMSO (تئوري)؛

تركيب درصد DMSO ضايعاتي به طور معمول حاوي ۱۰ تا ۲۰ درصد DMSO و مابقي آب است لذا به صورت متداول ابتدا خوراك توسط تقطير ساده يا برج عريان سازي تا ترکیب ۵۰ تا ۷۰ درصد DMSO‌ خالص سازي شده و سپس در برج تقطير جزء به جزء تا ۹۹٫۹% از آب جدا مي شود. در اين روش در صورت حضور حلال هاي آلي سبك، این حلال ها نيز به همراه آب در برج عريان سازي از DMSO جدا مي شوند. در مرحله عريان سازي، خوراك رقيق تر از DMSO ابتدا تبخير شده و سپس به برج عريان سازي وارد مي شود. در اين مرحله مي توان از تبخيركننده هاي كتل تايپ در صورت عدم حضور مواد غيرفرار استفاده نمود اما تبخيركننده لايه نازك بسيار مناسب تر است. دليل ارجحيت تبخيركننده لايه نازك، حساسيت دمايي DMSO ، ضايعات كم بويلر(ته ماند تقطير) و ماهيت پيوسته فرايند است. بخارات حاصل از تبخير در مرحله اول تا ۹۰% آب است كه به برج عريان سازي وارد مي شود. برج عريان سازي شباهت زيادي به برج تقطير جزء به جزء دارد با اين تفاوت كه ريفلاكس در آن انجام نمي گردد لذا جداسازي حلال هاي با فراريت نسبي بزرگ فقط در آن انجام مي گردد. با گذر زمان تبخير كننده ميزان بيشتريDMSO‌ تبخير كرده و به برج عريان سازي وارد مي كند؛ محصول بدست آمده تا ۸۰% DMSO‌ و ۲۰% آب تخليص مي شود. نكته قابل توجه فشار فرايند است كه با توجه به حساسيت دمايي DMSO (در دماي ۱۶۰ درجه سانتيگراد در فشار اتمسفريك شروع به تجزيه شدن كرده و به تدريج رنگ زرد رنگ و بوي نامطبوع پيدا مي كند) تحت ۳۰ ميلي بار انجام مي شود (نقطه جوش DMSO در اين فشار ۸۸ درجه سانتيگراد است). تقطير جزء به جزء مخلوط به دست آمده به برج تقطير جزء به جزء وارد شده و DMSO با خلوص ۹۹٫۹% وزني از پايين برج با دماي جوش بين ۹۰ تا ۱۳۰ درجه سانتيگراد حاصل مي گردد. در اين مرحله مي توان از يك جوش آور لايه نازك يا كتل تايپ تحت ويكيوم براي بويل آپ استفاده نمود. نرخ بويل آپ و ريفلاكس بسته به طول برج، تعداد سيني ها و يا نوع پكينگ متفاوت است اما بصورت ميانگين نرخ ريفلاكس و بويل آپ ۱ به ۱ است.

2-استفاده به عنوان تبخيركننده در سيستم تقطير جزء به جزء

از تبخيركننده لايه نازك مي توان به عنوان ريبويلر و تبخيركننده خوراك بطور همزمان در تقطير پيوسته و ناپیوسته استفاده كرد. در تقطير جزء به جزء حلال هاي سنگين، با توجه به اينكه بطور معمول خوراك مقادير زيادي ضايعات غير فرار در خود دارد، بهتر است خوراك بصورت بخار تميز به برج تزريق شود و نه بصورت مايع، تا از كلاگ شدن و ايجاد رسوبات در پكينگ يا سيني هاي برج جلوگيري شود. تبخيركننده هاي لايه نازك به دليل ماهيت عملکرد پيوسته خود،  به راحتي مواد فرار را از رسوبات بصورت پيوسته جدا نموده و با عدم تأثير از تغيير تركيب درصد خوراك با راندمان ثابت كار مي كنند. در مقايسه با تبخيركننده هاي كتل تايپ يا پوسته و لوله، Forced circulation يا تزريق با بخار مستقيم تبخيركننده لايه نازك مزاياي زيادي دارند؛

۱-برخلاف كتل تايپ امكان تشكيل رسوبات روي سطوح انتقال حرارت نوجود ندارد.

۲-برخلاف سيستم تقطير تحت فشار وforced circulation، در این نوع تبخیرکننده قابليت كار تحت خلاء وجود دارد و بسيار ايمن تر است.

۳-بر خلاف سیستم تزريق مستقيم بخار، مصرف آب صفر و محصول با آب مخلوط نمي شود.

۴-برخلاف سيستم تزريق مستقيم حلال سوپرهيت، در مقياس صنعتي قابل اجراست.

3-تغليظ مواد پليمري از مخلوط حلال و منومر

 

در بسياري از فرايندهاي پليمريزاسيون، واكنش بصورت كامل انجام نشده و حلال واكنش به همراه منومر و پليمر در راكتور باقي مي ماند. با توجه به اينكه دماي واكنش و ميزان تلاطم درون راكتور تأثير بسزايي در راندمان و سرعت واكنش و همچنين خلوص پليمر بدست آمده دارد محدوديت هاي جدي در تقطير ساده منومر و حلال از مخلوط واكنش وجود دارد؛ علاوه بر اين حساسيت دمايي منومرها در نزديكي نقطه جوش خود يا حلال واكنش انتخاب تقطير اتمسفريك را حذف مي كند. با توجه به اينكه در اين نوع جداسازي ضايعات وجود ندارد و هم جزء فرار و هم غير فرار بايد با خلوص مناسب جمع آوري گردد، تجهيز تبخيركننده در اين فرايند اهميت ويژه اي پيدا مي كند. استفاده از تبخيركننده هاي لايه نازك به دلايل ذيل براي اين منظور پيشنهاد مي گردند؛

۱-قابليت انجام فرايند در فشار كاهش يافته و لذا جلوگيري از واكنش هاي ناخواسته و از دست رفتن محصول

۲-قابليت كار با ويسكوزيته هاي بسيار بالا تا ۵۰۰۰۰ سانتي پويز (چرا كه مخلوط هاي پليمري در دماهاي بالا مايع غليظ با ويسكوزيته بالا هستند.)

۳-جداسازي تا خلوص بيش از ۹۹ درصد منومر و حلال و بدست آوردن پليمر عاري از حلال

مثال؛ بازيافت منومر استايرن ضايعاتي يا اصطلاحاً منومر استايرن ژله شده با استفاده از تقطير ساده با تبخيركننده لايه نازك

منومر استايرن ماده اوليه توليد پلي استايرن است كه كاربرد هاي فراواني در صنايع دارد. توليد استايرن عمدتاً با دهيدروژنه كردن اتيل بنزن بدست مي آيد. منومر استايرن در ايران توسط پتروشيمي پارس توليد شده و در بشكه هاي ۲۲۰ ليتري يا بصورت تانكر عرضه مي گردد. خصوصيات فيزيكي منومر استايرن بصورت زیر است؛

نقطه جوش ۱۴۵: درجه سانتيگراد

دانسيته: ۹۰۹ كيلوگرم بر متر مكعب

ظاهر: بدون رنگ و شفاف

براي نگهداري منومر استايرن مي بايست مواد بازدارنده پليمريزاسيون به بشكه ها يا تانكر حاوي مواد بصورت منظم  اضافه نموده و از افزايش دماي بشكه هاي جلوگيري نمود چرا كه ژله شدن استايرن باعث شروع يك واكنش زنجيره اي توليد انواع محصولات ناخواست محلول در منومر شده كه باعث افزايش ويسكوزيته مخلوط تا بيش از ۱۰۰۰۰۰ سانتي پويز مي شود بطوريكه حتي قابل پمپاژ و تخليه از درون مخزن يا بشكه نباشد. براي تشخيص شروع واكنش پليمريزاسيون ناخواسته منومر استايرن، بايد در مقياس آزمايشگاهي نمونه منومر را تست كرد. افزودن مقدار كمي متانول به استايرن حضور پليمر و اوليگومر ناخواسته را در درصدهاي بسيار كم آشكار مي سازد.

بازيابي منومر استايرن از مخلوط منومر و پليمر و مواد غير فرار؛

در صورت عدم افزودن مواد بازدارنده يا حضور مواد غيرفرار حاوي گوگرد يا كاتاليزور و استارتر باقيمانده از ضايعات، منومر استايرن به تدريج بصورت ناقص تبديل به پليمر و اوليگومر شده و حتي با افزودن بازدارنده هم روند ژل شدگی ادامه پيدا مي كند. دو روش براي بازيابي منومر از اين مخلوط امكان پذير است؛

  • استخراج حلالي

حلال متانول و منومر استايرن به خوبي در يكديگر حل مي شوند. فراريت نسبي خوب و جداسازي با برج تقطير نسبتاً راحت انجام مي شود. متانول قابليت حل كردن هيچ يك از پليمرهاي حاصله از واكنش ناخواسته استايرن را ندارد لذا پليمر ها بصورت رشته هاي سفيد رنگ رسوب مي كنند. مخلوط متانول و استايرن با تقطير جزء به جزء جدا شده و متانول مجدداً به عنوان حلال استخراج استفاده مي شود. عيب اين روش هزينه بالاي تقطير جزء به جزء در فشار كاهش يافته است چرا كه در دماي بالا منومر استايرن مجدداً امكان پليمريزاسيون دارد و تقطير بايد تحت خلاء انجام شود و با توجه به نقطه جوش پايين متانول كندانس كردن بخارات محصول بالادست بسيار دشوار و هزينه بر است.

  • تقطير

از آنجايي كه منومر استايرن تحت دماي جوش خود مجدداً پليمر مي شود فرايند بايد تحت خلاء انجام گردد. نوع جديدي از تبخيركننده هاي لايه نازك به نام تبخيركننده مسير كوتاه يا Short path evaporator هستند كه براي اين كار بسيار مناسبند. اين نوع تبخيركننده ها در دل خود يك كندانسور دارند كه باعث مي شود بخارات محصول بلافاصله پس از تبخير شدن سرد شده و جمع آوري گردد لذا مدت زمان كوتاهي را در دماي بالا سپري كرده و امكان تجزيه شدن يا واكنش دادن حذف مي شود. از اين نوع تبخيركننده به عنوان بويلر تقطير جزء به جزء نمي توان استفاده کرد لذا  اگر حلال هاي فرّاري مثل متانول يا اتيل استات در مخلوط موجود است بايد تبخيركننده لايه نازك معمولي يا از متد استخراج استفاده شود. مزيت استفاده از تبخيركننده لايه نازك دماي پايين فرايند، سرعت بسيار بالا در مقايسه با تبخيركننده هاي ديگر(بدليل ويسكوزيته بالا) ، امكان بازيابي بيش از ۹۵% منومر و مهم تر از همه ايمني بالا است. مشكل تبخيركننده هاي ديگر اينست كه خوراك در حجم بسيار زيادي تا دماي جوش خود در خلاء( در حدود ۶۰ درجه سانتيگراد) به مدت طولاني باقي مي ماند تا ذره ذره تبخير انجام شود. در اين حين سطوح انتقال حرارت به شدت توسط پليمر هاي رسوب كرده عايق شده و راندمان نيز كاهش مي يابد. همچنين با تبخير ميزان زيادي از منومر، ويسكوزيته خوراك زياد مي شود و پمپ سيركولاسيون به خوبي كار نمي كند و امكان تشكيل فوم و كلاگ شدن لوله خروج بخار محصول نيز وجود دارد. بر عكس در تبخيركننده لايه نازك تنها به ضخامت چند سانتيمتر روي سطوح داخلي تبخيركننده لايه نازك مخلوط در دماي بالا حركت مي كند و حركت نيز توسط پمپ انجام نمي گردد و تركيبي از جاذبه زمين و تيغه هاي چرخشي اين عمل را انجام مي دهند لذا احتمال كلاگ شدن بسيار كم و در صورت ايجاد واكنش يا تجزيه حرارتي هم حجم كمي از خوراك تحت تأثير قرار مي گيرند.

4-تبخير آب و تغليظ مواد غذايي (توليد سيروپ)

 

در صنايع توليد مواد غذايي شيرين، مثل نوشابه هاي غير الكلي،آبميوه، شيريني و شكلات، گز و … شكر نقش شيرين سازي محصولات را دارد. شكر به راحتي در دماهاي پايين در اين محصولات حل نمي شود پس بايد ابتدا شكر را در مقدار زيادي آب حل كرده، سپس آب را تبخير كرده تا سيروپ بدست آيد. سيروپ هم دانسيته بالايي دارد و هم حاوي مقادیر زيادي شكر است و با حل شدن در محصولات رسوب نمي دهد. همچنين انتقال آن از محلي به محل ديگر هزينه كمتري دارد.  بهترين روش براي تبخير آب از مخلوط آب وشكر استفاده از تكنولوژي تبخير كننده Falling film evaporator است. اين نوع تبخيركننده تيغه هاي گردان ندارد و شبيه مبدل پوسته و لوله تك پاس عمل مي كند با اين تفاوت كه عامل محرك جاذبه و سطح انتقال حرارت در لوله ها بسيار بيشتر از شل نگهدارنده آنهاست. آب و شكر رقيق از بالاي تبخير كننده وارد تعداد بسيار زيادي لوله داغ شده و با توجه به چسبندگي مخلوط به سطوح تشكيل يك فيلم نازك روي جداره ي لوله ها مي دهد. بخار آب حاصله از وسط لوله ها به بالا منتقل شده و مخلوط با حركت در طول لوله غليظ تر مي شود. در انتهاي لوله تبخير كننده با اندازه گيري عدد بريكس يا ويسكوزيته، كيفيت سيروپ توليد شده كنترل مي گردد.

5-بازيافت حلال هاي آلي با ويسكوزيته بالا

 

بسياري از حلال هاي آلي در صنايع نساجي، رنگ و رزين، چاپ و بسته بندي و خودروسازي، ماشين سازي، … جهت شست و شوي تجهيزات يا مخازن استفاده مي شود. حلال ۴۰۲ حاوي رنگ و رزين يا قير، استون حاوي رنگ و چسب، تولوئن حاوي چسب پلي اورتان، متيل استات حاوي ضايعات چرم مصنوعي، ايزوپروپيل الكل حاوي مركب چاپ و … ضايعات متداول صنعت بازيافت حلال هستند و بطور معمول تا ۴۰% وزن حلال ضايعاتي را در اين موارد شامل مواد غير فرار مي شود. هر ۵% ناخالصی غير فرار مي تواند تا ۱۰۰۰ سانتي پويز ويسكوزيته خوراک را افزايش دهد لذا حتي اگر خوراك اوليه رقيق و قابل پمپاژ است ضايعات باقيمانده بدون حلال ممكن است اينگونه نباشد. به غير از تكنولوژي تبخير با بخار آب و حلال، تنها تبخيركننده اي كه مي تواند تحت فشار كاهش يافته در ويسكوزيته بالا تا بيش از ۹۰ درصد حلال را بازيابي كند،  تبخيركننده لايه نازك است.

6-تقطير ملكولي روغن تحت وكيوم

 

چالشهاي محيط زيستي رنگبري از حلال هاي آلي

فرآيند هاي رنگبري با تزريق مستقيم بخار آب و حلال همواره با چالش نحوه امحاء ضايعات روبرو هستند. در تقطير با بخار حلال با توجه به اينكه ضايعات باقيمانده پس از سرد شدن حاوي مقادير بسيار كمي حلال و بدون آب هستند بصورت جامد پودري درآمده و در بعضي موارد قابل امحا بدون سوزاندن است. ضايعات تبخير با بخار آب بدليل باقيماندن مقدار زيادي آب در ضايعات بصورت ژله اي در تبخير كننده باقي مي ماند؛ سوزاندن ضايعات  نيز بدليل حضور فلزات سنگين در ضايعات، چالش امحاء پس از سوزاندن را به همراه خواهد داشت. در هر دو فرايند مديريت پسماند چالش برانگيز و نياز به مطالعه و تحقيق از مراجع محيط زيستي محل احداث كارخانه دارد. ضايعات باقي مانده از تبخير حلال هاي آلي موادي هستند كه بايد بصورت اصولي امحاء شوند. با وجود اينكه اغلب پس از خنك شدن در بشكه جامد و قابل انتقال به لندفيل هستند اما از نظر محيط زيستي رهاسازي ضايعاتي كه حلال يا آب در آنها باقيمانده و ضايعاتي كه براي خاك و منابع زير زميني مضر باشد قابل لندفيل نيستند. همانطور كه در بخش مديريت پسماند توضيح داده شده است ضايعات بازيافت حلال هاي آلي كه بصورت جامد يا ژله درون بشكه هستند قابل سوزاندن نيستند و براي اينكه مواد در حالت مايع قابل پمپاژ يا تخليه باقي بماند بايد مقداري حلال در ضايعات باقي بماند. با توجه به اينكه ممكن است حلال كه بازيافت شده است ارزش بالايي داشته باشد مي توان تا درصد بالايي حلال را بازيابي نموده و به ضايعات باقيمانده حلال يا مخلوط حلال با ارزش پايينتر اضافه گرداند (حلال فلاكس) تا ضايعات هم از مبدلها به راحتي تخليه شود و هم قابليت انتقال در بشكه  به سايت امحا از طريق سوزاندن را داشته و هم اينكه از خشك شدن كامل ضايعات جلوگيري نمايد. در بسياري مواد انتخاب حلال فلاكس نياز به آزمايش و مطالعه زيادي دارد. حلالی كه انتخاب مي شود بايد قابليت حل كردن ضايعات در دماي مبدل و همچنين محلول نگه داشتن ضايعات در دماي محيط را داشته باشد.

سوال؛ ضايعات رزين نيتروسلولز كه در حلال استون و متانول ۵۰-۵۰ حل شده بود در مبدل نگه داشته شده است. بازيافت از طريق تزريق مستقيم بخار انجام گرفته است و محصول نهايي توسط تقطير جزء به جزء بصورت مخلوط استون و متانول و مقدار كمي آب بدست آمده است و ضايعات بصورت رزين، پيگمنت، روغن و واكس در ضايعات به همراه ۲% حلال و ۲۰ درصد آب باقي مانده است. چه حلالي براي شست و شوي ضايعات و تبخير كننده استفاده شود؟

پاسخ: از آنجايي كه رزين نيتور سولولز در حلال هاي كتوني و استري همراه با الكل حل مي شود، حلال متانول انتخاب خوبي است. هم آب را در خود حل مي كند، هم قيمت مناسبي دارد و هم ارزش حرارتي بالايي براي سوزاندن دارد. ممكن است به دليل ميزان زياد آب موجود در ضايعات رزين كامل در متانول حل نشود لذا حلال متيل استات ۸۵% كه حاوي ۱۵% متانول است را بايد با نسبتهاي كم به مخلوط اضافه نمود. تست كردن مخلوط حلال ها وشرايط فرايند با اضافه نمودن حلال فلاكس بايد به دقت در آزمايشگاه بررسي و كل فرايند با حضور حلال فلاكس از ابتدا تا انتها تست شود.

مثالی دیگر؛ ضايعات هيدروكربني سنگين شبيه قير در متيل استات كه از شست و شوي بشكه هاي فلزي دست دوم حاصل شده است با فرايند تزريق مستقيم بخار حلال بازيافت شده است. ميدانيم كه تبخير كليه حلال درون ضايعات موجب چسبيدن جامدات به ديواره مخزن شده و مقدار زيادي حلال صرف حل كردن دوباره ضايعات مي شود. بدين منظور حلال هاي هيدروكربني سنگين كه نقطه جوش بالا و قيمت نسبتاً كمي دارد به مخلوط حلال به علاوه ضايعات اضافه مي گردد. متيل استات همانند قبل تبخير شده و حلال فلاكس اضافه شده موجب محلول باقي ماندن ضايعات مي شود. حلال هاي هيدروكربني سنگين ارزش حرارتي بالا، دمای اشتعال مناسب و قابليت اختلاط با گازوئيل در كوره هاي گازوئيل سوز و مازوت سوز دارد.