فرایند تراوش تبخیری حرارتی و تراوش تبخیری در خلآ 6,779 بازدید بدون دیدگاه مقدمه : امروزه فرایندهای غشایی به عنوان یک تکنیک مهم جداسازی مورد توجه قرار گرفته و کاربرد وسیعی در زمینه های مختلف پیدا کرده اند . هر فرایند جداسازی غشایی با استفاده از یک غشا ، موجب انتقال یک جزء به صورت انتخابی از دیگر اجزاء می شود . این جداسازی به دلیل اختلاف ها در خصوصیات فیزیکی و شیمیایی غشا و اجزاء تراوایی می باشند . در واقع انتقال از درون غشا به دلیل یک نیروی محرکه اتفاق می افتد .که این نیروی محرکه می تواند گرادیان فشار ، غلظت ، پتانسیل الکتریکی یا دما باشد. فرایند تراوش تبخیری به عنوان یکی از انواع فرایندهای غشایی در سال۱۹۱۷ توسط کوبرkobber معرفی شد . باتوجه به اینکه مکانیسم جداسازی در فرایند تراوش تبخیری بر پایه حلالیت نفوذ می باشد ، در مقایسه با مکانیسم فرایند تقطیر که بر پایه 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 فرایند تراوش تبخیری را میتوان به سه مرحله زیر تقسیم کرد: ١- جذب انتخابی غشا در سمت خوراک ٢- نفوذ گزینشی درون غشا ٣- دفع یک بخار در سمت تراوایی( permeate) این فرآیند توسط تعدادی از صنایع برای بسیاری از فرآیندهای مختلف، از جمله تصفیه و تجزیه و تحلیل، استفاده می شود. پایه جداسازی در فرآیند تراوش تبخیری براساس حلالیت 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. کاربردهای فرآیند تراوش تبخیری: فرآیند تراوش تبخیری یک فرآیند جداسازی پیچیده است و خصوصیات جداسازی به شدت تحت تأثیر ترکیب خوراک قرار می گیرد . فرآیند تراوش تبخیری اصولا برای جداسازی یک مقدار کم مایع از مخلوط مایع توسط غشاهایی با گزینش پذیری بالا استفاده می شوند. در این فرآیند حرارت مورد نیاز برای تبخیر ترواش کننده باید تهیه شود . در مخلوط های آ زئوتروپی که دو جزء با هم تشکیل آزئوتروپ می دهند و دارای درصد وزنی یکسان هستند، فرآیند تراوش تبخیری مناسب نیست در این موقع تلفیقی از تقطیرو تراوش تبخیری استفاده میشود و تراوش تبخیری نقش شکننده آ زئوتروپ را ایفا می کند و جداسازی دو جزء در برج تقطیر صورت می گیرد. به طور کلی : بیشترین کاربرد فرآیندهای تراوش تبخیری ، در صنایع شیمیایی می باشد . البته در صنایع غذایی و دارویی نیز به منظور تغلیظ محصولات حساس به دما یا حذف ترکیب آروماتیک و در برخی از مسائل زیست محیطی مانند حذف آلودگیهای آلی فرار از پساب یا در کاربردهای تجزیه ای برای غنی کردن یک جزء به کار می رود . Thermo pervaporation (a: وقتی رژیم یکنواخت (steady – state) تراوش تبخیری تحت خلأ به دست می آید ، سیستم می تواند توسط چرخش یک شیر (rotating a valve) از پمپ تخلیه ایزوله جدا شود. اگر نرخ کندانس یا میعان بخارهای تراوش شده در دیواره سرد شده به اندازه کافی سریع باشد با نگهداری فشار کم در اطراف جریان پایین دست غشا، تراوایی ادامه می یابد و شرایط یکنواخت جدید به حالت اول برگردانده می شو د . اگر هیچگونه نشتی در ابزار و وسایل موجود نباشد ، رژیم دوم ، تراوش تبخیری حرارتی نامیده میشود. Aptel و etal بیان کردند که انرژی تهیه شده برا ی این سیستم عملیاتی، عملآ کاهش می یابد . 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 بیشتر فرآیندهای تراوش تبخیری ، نیروی محرکه، اختلاف فشار بین جریان خوراک و جریان تراوش شده می باشد و پمپ خلاء نیروی محرکه لازم برای انتقال جرم اجزاء را فراهم میکند . روش جداسازی به این صورت است که یک جزء سریع تر از سایر اجزاء به طرف دیگر غشاء تراوش کرده ودر آن سمت به صورت بخار جمع آوری میشود . این نوع تراوش تبخیری را، تراوش تبخیری با نیروی محرکه خلاء یا Vacuum pervaporation می گویند . در این نوع فرایند تراوش تبخیری , پمپ خلاء کاهش فشار جزئی مورد نیاز برای ایجاد نیروی محرکه را ایجاد می کند. تراوش تبخیری با نیروی محرکه پمپ خلاء در شکل زیر نمایش داده شده است : در تراوش با نیروی محرکه پمپ خلا ابزار و وسایل برای رسیدن به دفع سریع اجزاء عبوری در سمت پایین دست غشاء طراحی می شوند و سیستم پمپ خلاء باید قادر باشد که غشای permselective را تحت یک فشار کم نگه داشته و باعث انتقال ناگهانی و سریع permeate منتقل شده گردد . البته این موقعیت برای تراوش تبخیری با استفاده از جریان گاز ، بسیار پیچیده است . در واقع گاز حامل به صورت متقابل (در جهت مخالف ) با مایع مخلوط شده ، جریان پیدا می کند و بخارهای تراوش شده ازفرایند تراوش تبخیری را جمع می کند با توجه به اینکه شرایط مرزی در هر دو طرف غشا تغییر می کند یک آنالیز کمی از رژیم عملیاتی یکنواخت از سیستم بسیار مشکل می باشد. پیشرفت های فرآیند تراوش تبخیری گرمایی و خلآ در صنعت: از ١٩٨٣ تاکنون واحدهای تراوش تبخیری درغرب اروپا ودرآمریکا به وسیله یک کمپانی آلمان ی G.F.T نصب شده اند . اخیرًا ، ۴ واحد در ژاپن ساخته شده اند . درمارچ ١٩٨٨ اولین مقیاس بزرگ تولید واحد تراوش تبخیری در فرانسه افتتاح شد.