فرایند تراوش تبخیری حرارتی و تراوش تبخیری در خلآ 5,589 بازدید بدون دیدگاه مقدمه : امروزه فرايندهای غشايی به عنوان يک تکنيک مهم جداسازی مورد توجه قرار گرفته و کاربرد وسيعی در زمينه های مختلف پيدا کرده اند . هر فرايند جداسازی غشايی با استفاده از يک غشا ، موجب انتقال يک جزء به صورت انتخابی از ديگر اجزاء می شود . اين جداسازی به دليل اختلاف ها در خصوصيات فيزيكی و شيميايي غشا و اجزاء تراوايی می باشند . در واقع انتقال از درون غشا به دليل يک نيروی محرکه اتفاق مي افتد .که اين نيروی محرکه می تواند گراديان فشار ، غلظت ، پتانسيل الکتريکی يا دما باشد. فرايند تراوش تبخيری به عنوان يکی از انواع فرايندهای غشايی در سال۱۹۱۷ توسط كوبرkobber معرفی شد . باتوجه به اينکه مکانيسم جداسازی در فرايند تراوش تبخيری بر پايه حلاليت نفوذ می باشد ، در مقايسه با مکانيسم فرايند تقطير که بر پايه اختلاف در نقطه جوش می باشد از نظر اقتصادی مقرون به صرفه تر است. این فرایند ، فرآیندی غشایی است که در آن یک مایع در تماس مستقیم با یک غشا پلیمری متراکم (سمت خوراک) می باشد و در آن محصول نفوذ به عنوان بخار در طرف دیگر این غشا ( طرف نفوذ) با استفاده ازکاهش فشار جزئی گرفته میشود. در اغلب موارد این فشار نسبی با ایجاد یک خلاء و یا با استفاده از گاز حامل کاهش می یابد در واقع این فرایند یک روش برای جداسازی مخلوط مایعات توسط تبخیر جزئی از طریق یک غشاء متخلخل و یا غیر متخلخل است. Pervaporation را می توان برای جداسازی مایعاتی که به علت وجود نقطه آزئو تروپیک یا نزدیکی نقطه جوش به سختی از هم جدا می شوند استفاده کرد. به طور کلی فرايند تراوش تبخيری را میتوان به سه مرحله زير تقسيم کرد: ١- جذب انتخابی غشا در سمت خوراک ٢- نفوذ گزينشی درون غشا ٣- دفع يک بخار در سمت تراوايي( permeate) این فرآیند توسط تعدادی از صنایع برای بسیاری از فرآیندهای مختلف، از جمله تصفیه و تجزیه و تحلیل، استفاده می شود. پایه جداسازي در فرآيند تراوش تبخيری براساس حلاليت نفوذ است در واقع نیروی محرکه برای این فرایند توسط یک اختلاف پتانسیل شیمیایی بین خوراک مایع , باقیمانده های غشا و بخار به وجود می اید. كاربردهاي فرآيند تراوش تبخيري: فرآيند تراوش تبخيري يك فرآيند جداسازي پيچيده است و خصوصيات جداسازي به شدت تحت تأثير تركيب خوراک قرار مي گيرد . فرآيند تراوش تبخيري اصولا براي جداسازي يك مقدار كم مايع از مخلوط مايع توسط غشاهايي با گزينش پذيري بالا استفاده مي شوند. در اين فرآيند حرارت مورد نياز براي تبخير ترواش كننده بايد تهيه شود . در مخلوط هاي آ زئوتروپي كه دو جزء با هم تشكيل آزئوتروپ مي دهند و داراي درصد وزني يكسان هستند، فرآيند تراوش تبخيري مناسب نيست در اين موقع تلفيقي از تقطيرو تراوش تبخيري استفاده ميشود و تراوش تبخيري نقش شكنندة آ زئوتروپ را ايفا مي كند و جداسازي دو جزء در برج تقطير صورت مي گيرد. به طور كلي : بیشترین كاربرد فرآيندهاي تراوش تبخيري ، در صنايع شيميايي مي باشد . البته در صنايع غذايي و دارويي نيز به منظور تغليظ محصولات حساس به دما يا حذف تركيب آروماتيك و در برخي از مسائل زيست محيطي مانند حذف آلودگيهاي آلي فرار از پساب يا در كاربردهاي تجزيه اي براي غني كردن يك جزء به كار مي رود . Thermo pervaporation (a: وقتي رژيم يكنواخت (steady – state) تراوش تبخيري تحت خلأ به دست مي آيد ، سيستم مي تواند توسط چرخش يك شير (rotating a valve) از پمپ تخليه ايزوله جدا شود. اگر نرخ كندانس یا ميعان بخارهاي تراوش شده در ديواره سرد شده به اندازه كافي سريع باشد با نگهداري فشار كم در اطراف جريان پايين دست غشا، تراوايي ادامه مي يابد و شرايط يكنواخت جديد به حالت اول برگردانده مي شو د . اگر هيچگونه نشتي در ابزار و وسايل موجود نباشد ، رژيم دوم ، تراوش تبخيري حرارتي ناميده میشود. Aptel و etal بيان کردند که انرژي تهيه شده برا ي اين سيستم عملياتي، عملآ كاهش مي يابد . به طور ساده تر میتوان بیان کرد که : در فرایند تراوش تبخیری پدیده انتقال می تواند به وسیله یک اختلاف دما بین خوراک و طرف نفوذ انجام شود که به این نوع فرایند تراوش تبخیری Thermopervaporation یا همان تراوش تبخیری حرارتی گویند در واقع دراین فرایند با استفاده از حرارت با کیفیت پایین حلال را باز یابی میکنند. مکانیسم نفوذ در غشا متراکم در فرایند تراوش تبخیری با دما از مدل انتشار حلال در فرایند , تبعیت میکند. در این فرایند میتوان از غشاهای پلیمری استفاده نمود. فرایندهای جداسازی مایع و بخار به کمک حرارت همانند تقطیر همیشه به عنوان برترین فرایندهای رایج در صنایع شیمیایی مطرح بوده اند. استفاده از فرایندهای جداسازی غشایی با افزایش قابلیت انتقال جرم در غشاهای متراکم صرفه جویی بسیار زیادی را در میزان انرژی مصرفی در مقایسه با فرایندهای رایج در این حوزه به دنبال خواهد داشت. در میان این فرایندهای غشایی، تراوش تبخیری و نفوذ بخار دو فرایندی می باشند که علاوه بر صرفه جویی در میزان انرژی مصرفی، قابلیت جداسازی ترکیبات دارای نقطه آزئوتروپ و بازیابی ترکیبات آلی فرار از جریانات گازی (هوا) و آبی را دارا می باشند. فرایند تراوش تبخیری بر اساس نفوذ یک یا چند جزء به صورت بخار از یک ترکیب مایع در امتداد یک غشا متراکم می باشد که در سمت محصول آن خلاء اعمال شده است. در فرایند مشابه نفوذ بخار، فرایند جداسازی یک یا چند جزء از یک ترکیب بخار صورت می پذیرد. این فرایندها همچنین به دلیل داشتن قابلیت فراوان به منظور بازیابی ترکیبات آلی فرار و حذف آلودگیها از جریانات آبی و گازی به عنوان فرایندهای پاک نیز شناخته شده اند. بنابراین به منظور تحقیق و توسعه در حوزه فرایندهای جداسازی غشایی، گروه پژوهشی فناوریهای نوین اقدام به تشکیل تیم پژوهشی تراوش تبخیری و نفوذ بخار به منظور دستیابی به اهداف تعیین شده در این حوزه نموده است. در شکل زیر شماتیکی از فرایند تراوش تبخیری با دما نشان داده شده است : در این شکل: : خوراک گرم شده پمپ خوراک قسمت گرم غشا قسمت سرد غشا ترموستات Permeater collecto پدیده انتقال در فرایند ترواش تبخیری با دما بر اساس شار اجزا تعریف میشود که در معادله زیر تعریف شده: در این معادله : M : کسر جرمی نفوذ A : سطح مقطع غشا T : مدت زمان نفوذ میباشد انتخاب پذیری ظاهری غشا بر اساس ضریب جداساری تعریف میشود که به صورت زیر است : در این معادله : Yi و yk کسر وزنی جز i و جز k در غشا میباشد Xi و xy کسر وزنی وزنی جز i و جز k در خوراک میباشد شاخص جداسازی این فرایند با معادله زیر تعیین میشود : انتقال آب در فرایند تراوش تبخیری با استفاده از دما : شار آب به دست آمده در طول اندازه گیری Thermo pervaporation با افزایش نیروی محرکه افزایش میابد. نمودار زیر بیانگر این مساله است : Vacuum pervaporation(b: در بيشتر فرآيندهاي تراوش تبخيري ، نيروي محركه، اختلاف فشار بين جريان خوراك و جريان تراوش شده مي باشد و پمپ خلاء نيروي محركه لازم براي انتقال جرم اجزاء را فراهم ميكند . روش جداسازي به اين صورت است كه يك جزء سريع تر از ساير اجزاء به طرف ديگر غشاء تراوش كرده ودر آن سمت به صورت بخار جمع آوري ميشود . اين نوع تراوش تبخيري را، تراوش تبخيري با نيروي محركه خلاء یا Vacuum pervaporation می گویند . در این نوع فرایند تراوش تبخیری , پمپ خلاء كاهش فشار جزئي مورد نياز براي ايجاد نيروي محركه را ايجاد مي كند. تراوش تبخيري با نيروي محركه پمپ خلاء در شكل زیر نمایش داده شده است : در تراوش با نیروی محرکه پمپ خلا ابزار و وسايل براي رسيدن به دفع سريع اجزاء عبوری در سمت پايين دست غشاء طراحي مي شوند و سيستم پمپ خلاء بايد قادر باشد که غشاي permselective را تحت يك فشار كم نگه داشته و باعث انتقال ناگهاني و سريع permeate منتقل شده گردد . البته اين موقعيت براي تراوش تبخيري با استفاده از جريان گاز ، بسيار پيچيده است . در واقع گاز حامل به صورت متقابل (در جهت مخالف ) با مایع مخلوط شده ، جريان پيدا مي كند و بخارهاي تراوش شده ازفرايند تراوش تبخيري را جمع مي کند با توجه به اينكه شرايط مرزي در هر دو طرف غشا تغيير مي كند يك آناليز كمي از رژيم عملياتي يكنواخت از سيستم بسيار مشكل مي باشد. پيشرفت هاي فرآيند تراوش تبخيري گرمایی و خلآ در صنعت: از ١٩٨٣ تاكنون واحدهاي تراوش تبخيري درغرب اروپا ودرآمريكا به وسيله يك كمپاني آلمان ي G.F.T نصب شده اند . اخيرًا ، ٤ واحد در ژاپن ساخته شده اند . درمارچ ١٩٨٨ اولين مقياس بزرگ توليد واحد تراوش تبخیری در فرانسه افتتاح شد.