تحسين العملية لفصل المواد الكيميائية فائقة النقاء عن طريق تقنية الاقتران الحراري بالتقطير والبلورة

التقطير

تقنية التقطير هي تقنية فصل وتنقية شائعة الاستخدام تفصل مكونات الخليط عن طريق الاستفادة من الاختلافات في درجات غليان المواد. وبفضل مزاياها المتمثلة في زيادة نقاء المنتج وقابلية التطبيق والاستدامة على نطاق واسع، تُستخدم على نطاق واسع في الصناعات الكيميائية والبترولية والصيدلانية والغذائية. ومع ذلك، هناك أيضًا تحديات تتمثل في ارتفاع استهلاك الطاقة وتعقيد وتكلفة العمليات والعمليات عند محاولة الحصول على مواد كيميائية فائقة النقاء.

تنقسم عملية التقطير إلى خطوتين رئيسيتين: التبخير والتكثيف. أولاً، يتم تسخين الخليط السائل إلى درجة الغليان، حيث يتم تبخير المكونات الأقل غليانًا أولاً، ثم يتم تبريد البخار وتكثيفه إلى سائل في مكثف لفصل المكونات. وعادة ما تتطلب تقنيات التقطير إمدادات كبيرة من الحرارة والبرودة وبالتالي تستهلك طاقة عالية. ويعتمد استهلاكها للطاقة بشكل أساسي على العوامل التالية:

التسخين: يتم استهلاك كمية كبيرة من الطاقة الحرارية لتسخين الخليط إلى درجة حرارة التبخير.

التبريد: يتطلب تكثيف الأبخرة كمية معينة من طاقة التبريد.

وبالإضافة إلى ذلك، إذا أردنا الحصول على مواد كيميائية عالية النقاء، يلزم الحصول على نسب عالية من التقطير المرتجع، مما يزيد بدوره من استهلاك الطاقة أضعافًا مضاعفة.

التبلور الذائب

التبلور الذائب هو تقنية جديدة منخفضة الكربون في التبلور الصناعي، والتي لها دور لا يمكن الاستغناء عنه في الحصول على تنقية المنتج عالي النقاء واختراق عنق الزجاجة في فصل التقطير. وفقًا للإحصائيات، فإن أكثر من 80% من النظام العضوي المختلط هو نظام منخفض سهل الانصهار، ونظريًا يمكن الحصول على بلورة ذائبة 100% من نقاء المنتج وشوائبه من الخليط سهل الانصهار، ومن المستحيل نظريًا الحصول على المادة النقية مقارنةً بالبلورة الذائبة في فصل المواد الكيميائية عالية النقاء التي تتمتع بميزة طبيعية. في السنوات الأخيرة، تم استخدام تقنية التبلور الذائب على نطاق واسع وتطويرها في العديد من المجالات، وتشمل عملية التبلور الذائب الشائعة بشكل أساسي تنقية المواد العضوية وتحضير واجهات برمجة التطبيقات. يمكن الحصول على التبلور الذائب بشكل أساسي من خلال استخدام المواد في عملية التبلور على مواد نقية وخصائص خليط سهل الانصهار، من خلال تبلور منتجات عالية النقاء.

وفقًا لطريقة الترسيب الخاصة بالتبلور الذائب ونوع جهاز التبلور، تنقسم عملية التبلور الذائب بشكل أساسي إلى تبلور الطبقات والتبلور المعلق. التبلور الطبقي هو عملية التبلور على سطح التبريد، وعادةً ما تكون عملية متقطعة، مقسمة إلى مراحل مختلفة، حمولة معينة من المواد في جهاز التبلور، بدورها، من خلال التبلور، وتفريغ السائل الأم، والتعرق (الذائب جزئيًا)، والذوبان (الذائب بالكامل)، وتفريغ المنتج المنقى. ومن ناحية أخرى، تنطوي عملية التبلور بالتعليق، بشكل عام، على التبلور السريع لجزيئات البلورات من الذوبان في وعاء مع التقليب مع تعليق الجسيمات في الذوبان، وعادةً ما تكون مع معدات فصل إضافية لفصل المواد الصلبة عن السائلة.

بالمقارنة مع طرق الفصل الأخرى، تتميز التبلور الذائب بالمزايا التالية:

1. نقاوة عالية للمنتج: نظام المواد التقليدية بسبب اختلاف نقطة الغليان صغير، يصعب الحصول على منتجات عالية النقاء بالتقطير، وعادة ما يمكن أن تحصل البلورة الذائبة على منتجات عالية النقاء (99.9%)، بل ويمكن الحصول على منتجات فائقة النقاء (99.99%، 99.999%);

2. ظروف تشغيل معتدلة: يتم تشغيل التبلور بالذوبان عند نقطة انصهار المنتج، والتي عادة ما تكون أقل بكثير من نقطة الغليان، وبالتالي تكون درجة حرارة التشغيل منخفضة. في الوقت نفسه، نظرًا لظروف التشغيل المعتدلة، لا توجد متطلبات خاصة للمعدات، ولكن أيضًا تقلل من تكلفة تصنيع المعدات، خاصة بالنسبة لبعض المواد الكيميائية الحساسة للحرارة، فإن التبلور بالذوبان له ميزة متأصلة.

3. مجموعة واسعة من المنتجات: بالإضافة إلى نظام المواد العادية، بالنسبة للعديد من الأنظمة التي يصعب فصلها مثل الأنظمة الأيزوميرية، يمكن للأنظمة الحساسة للحرارة أن تحقق نتائج فصل جيدة;

4. توفير الطاقة وحماية البيئة: عادةً ما تكون حرارة ذوبان المواد أصغر بكثير من حرارة التبخير، وعملية التقطير لها نسبة ارتداد وفقدان حرارة عالية، وبالتالي فإن العملية أقل بكثير من استهلاك الطاقة في التقطير التقليدي، وفي نفس الوقت بسبب عدم وجود إدخال مذيبات أخرى إضافية، ليس فقط لتوفير الطاقة ولكن أيضًا لتقليل التلوث البيئي.

ومع التقدم المستمر للعلوم والتكنولوجيا، تم أيضًا تحسين تكنولوجيا التبلور الذائب وتطويرها باستمرار. تجمع تقنية التبلور الذائب الحديثة بين تقنيات التحكم والاستشعار المتقدمة لتحقيق تحكم أكثر دقة في درجة الحرارة ومراقبة عملية التبلور. وبالإضافة إلى ذلك، يستكشف الباحثون طرقًا لتحسين معدات التبلور وتحسين معلمات العملية وتطوير أنواع جديدة من المبلورات لزيادة كفاءة التبلور الذائب واقتصاده.

التقطير - تحسين تقنية عملية التقطير - التبلور المقترن حراريًا

مع التنمية الاقتصادية والاجتماعية، طرح نقاء المواد الكيميائية في مختلف المجالات متطلبات أعلى، يتزايد الطلب على المواد الكيميائية عالية النقاء وفائقة النقاء يومًا بعد يوم. إن استخدام تكنولوجيا التقطير الكيميائي عالي النقاء للمواد الكيميائية عالية النقاء هناك نسبة ارتجاع عالية، واستهلاك مرتفع للطاقة، مما يؤدي في النهاية إلى ارتفاع التكاليف، في عملية التقطير لإزالة الشوائب النزرة أكثر صعوبة، يجب مضاعفة نسبة نقاء كل مستوى من مستويات نسبة ارتجاع التقطير أو حتى مضاعفاتها، مما يؤدي إلى زيادة حادة في استهلاك الطاقة. يتم تشغيل عملية التقطير عمومًا في عملية ملحق نقطة غليان المادة، حتى لو كان استخدام تقنية التفريغ لتقليل درجة حرارة التشغيل، يجب أن يكون تكثيفها أيضًا أعلى من درجة انصهار المنتج، وإلا سيكون هناك بسبب مشاكل التبلور التي تؤدي إلى انسداد المكثف، بالطبع، وهذا يوفر أيضًا أساسًا نظريًا لحرارة تكثيف التقطير لمصدر حرارة التبلور الذائب.

يمكن الحصول على التبلور الذائب باستخدام المواد في عملية التبلور على مواد نقية ومخاليط منخفضة الانصهار لخصائص التبلور للحصول على منتجات عالية النقاء. عندما تكون درجة نقاء المادة الخام للتبلور الذائب منخفضة، نظرًا لقرب نقطة الانصهار المنخفضة للخليط من نقطة الانصهار المنخفضة، سيكون هناك عيب انخفاض العائد أو حتى عدم القدرة على بلورة المادة النقية، ومع ذلك، فإن تنقية المادة الأقل نقاءً هي بالضبط ميزة التقطير. وبالإضافة إلى ذلك، نظرًا لأن التبلور الذائب يعمل بالقرب من نقطة الانصهار، فإن درجة حرارة التشغيل تكون حتمًا أقل من درجة حرارة التكثيف في أعلى عمود التقطير، مما يجعل من الممكن استخدام حرارة التكثيف في أعلى عمود التقطير للتبلور الذائب.

وتستخدم العملية تقنية التقطير للفصل الأولي للمواد الخام ثم تستخدم تقنية التبلور الذائب للحصول على مواد كيميائية عالية النقاء، مع عودة السائل الأم المتبلور الذائب إلى التقطير لمزيد من التقطير. تُستخدم الحرارة المنبعثة من المكثف الموجود أعلى برج التقطير كمصدر حراري للتبلور الذائب، وتُستخدم الحرارة المنبعثة من التبلور الذائب لتبريد المكثف الموجود أعلى برج التقطير.

تقترن تقنية التقطير والتبلور، باستخدام مزايا كل منهما للفصل عالي النقاء، وتكون العملية بشكل أساسي تنقية المواد الخام أولاً بالتقطير إلى درجة نقاء معينة، ومنتجات عملية التقطير ثم إلى عملية التبلور لمزيد من التبلور والتنقية إلى درجة نقاء أعلى، وتبلور السائل الأم في عملية التقطير، بحيث يصل العائد والنقاء إلى الحد الأمثل. في الوقت الحاضر، تم استخدام عملية اقتران التقطير بالبلورة على نطاق واسع في الإنتاج الصناعي، والتي يمكن أن تزيد من توسيع نظام الفصل، وزيادة تأثير الفصل بشكل كبير، وتحسين نقاء المنتج بشكل كبير. في الوقت الحاضر، لا يزال البحث والتطوير في تكنولوجيا اقتران التقطير-التبلور يركز بشكل أساسي على تطبيق نظام المواد المحددة، وذلك لاستمرارية عملية فصل الاقتران وعملية استهلاك الطاقة لتحسين الشبكة ضعيف نسبيًا.

وتحقق تقنية الاقتران الحراري بالتقطير-التبلور الفصل الفعال والتنقية الفائقة للمكونات في المخاليط من خلال نقل الطاقة الحرارية واستخدامها في عملية الاقتران الحراري. لأنه بالنسبة للنظام العام للمواد، تكون حرارة التبخير 2 ~ 3 أضعاف حرارة الانصهار، في حين أن درجة الغليان أعلى بكثير من درجة الانصهار، وبالتالي، في عملية الاقتران الحراري, يمكن استخدام الحرارة الناتجة عن تكثيف البخار في مكثف عملية التقطير كمصدر طاقة لمرحلتي الذوبان والتعرق في عملية التبلور، وفي عملية الفصل الحراري المقترن بالتقطير والتبلور المقترن حراريًا لعملية الفصل فائق النقاء، تقترن خطوتا التقطير والتبلور مع بعضهما البعض لتشكيل عملية دورية. لا توفر هذه التقنية فصلًا عالي الكفاءة فحسب، بل توفر أيضًا الطاقة وتقلل من انبعاثات الكربون، مما يلبي متطلبات توفير الطاقة منخفضة الكربون والتخضير.

لنأخذ اقتران التقطير والتبلور لكربونات الإيثيلين (EC) كمثال، يمكن أن تلبي الدرجة الصناعية للمفول EC التي تزيد عن 99% المتطلبات، ولكن بما أن مذيب الليثيوم يجب أن يصل إلى 99.99 ~ 99.999% من متطلبات الدرجة الإلكترونية، فإن استخدام تقنية التقطير فقط للحصول على نقاء الدرجة الإلكترونية ليس فقط استهلاكًا عاليًا للطاقة، ولكن أيضًا يصعب تحقيقه. لا يمكن فقط الحصول بسهولة على منتجات عالية النقاء من الدرجة الإلكترونية من خلال تقنية التقطير المقترنة بتقنية التبلور الذائب من EC، وتقطير حرارة التكثيف في الجزء العلوي من البرج لمصدر حرارة التبلور الذائب لزيادة تقليل استهلاك الطاقة، ونفس المنتجات من الدرجة الإلكترونية، وتقنية اقتران التقطير - التبلور بالنسبة لطريقة التقطير التقليدية، وتوفير الطاقة لأكثر من 60%.

التقطير - تقنية الاقتران الحراري للتبلور لتحقيق النقاط الرئيسية التالية:

1، تصميم وتطوير مكثف عالي الكفاءة يمكن أن يقلل من استهلاك الطاقة بشكل أكبر;

2، مما يدفع المنطقة العلوية لبرج التقطير في برج التقطير من الطاقة الحرارية البخارية ذات درجة الحرارة المنخفضة إلى مرحلة ذوبان المبلور ومرحلة التعرق لمصدر الحرارة;

3، تكون عملية التقطير بشكل عام عملية مستمرة، في حين أن عملية التبلور عملية متقطعة بشكل عام، في إنشاء شبكة استخدام الحرارة، والحاجة إلى النظر في تنسيق ومطابقة الطاقة;

4، عملية التبلور في نظام تدوير وسيط التوصيل الحراري والتحكم في حرارة مكثف التقطير من أجل التنظيم الفعال.

على الرغم من أن تقنية الاقتران الحراري لها العديد من المزايا، إلا أن هناك بعض التحديات والقيود:

1، تعقيد التصميم الهندسي: يتطلب تنفيذ الاقتران الحراري معدات التبادل الحراري المناسبة وتصميم النظام، مما يزيد من تعقيد المعدات وتكاليف الاستثمار. ويعتبر مخطط التحكم لضمان النقل الفعال للحرارة مشكلة هندسية معقدة.

2، تحسين العملية: تتطلب عملية الاقتران الحراري تحكمًا دقيقًا في درجة الحرارة ونقل الحرارة، مع متطلبات عالية لبارامترات العملية وظروف التشغيل. ويتطلب تحسين بارامترات عملية الاقتران الحراري وتشغيلها مراعاة شاملة لعدد من العوامل مثل نقل الحرارة ونقل المواد وحركية التفاعل.

3، توافق المواد: في عملية الاقتران الحراري، يجب مراعاة التوافق والاستقرار الحراري للمواد لتجنب التفاعلات الكيميائية الضارة أو التحلل الحراري. خاصةً بالنسبة للعمليات في درجات الحرارة والضغط المرتفعة، يجب تقييم اختيار المواد ومتانتها بعناية.

الخاتمة

تقنية الفصل فائقة النقاء المقترنة حراريًا بالتقطير والبلورة هي تقنية تزاوج بين عمليتي التقطير والبلورة لتحقيق الفصل الفعال والفصل فائق النقاء للمكونات في الخليط من خلال استعادة الطاقة وإعادة استخدامها، وهي تقنية رئيسية لتوفير الطاقة الشاملة وتحسين التكامل الحراري لعملية التقطير, والتي لها مزايا كبيرة من حيث توفير الطاقة منخفضة الكربون وتخضير الإنتاج، ويمكنها توفير الطاقة وتقليل انبعاثات الكربون، وهي قابلة للتطبيق في عدد من المجالات الصناعية ويمكنها توفير الطاقة وتقليل انبعاثات الكربون، وهي قابلة للتطبيق في احتياجات الفصل والتنقية لمجموعة واسعة من القطاعات الصناعية. مع تزايد متطلبات التخضير والتنمية المستدامة، من المتوقع أن يتم تطبيق تقنية الفصل فائق النقاء بالتقطير-التبلور المقترن حراريًا على نطاق أوسع في العالم الصناعي والترويج لها، وبالتالي تقليل استهلاك الطاقة في عمليات الفصل الكيميائي، والمساهمة في تحقيق الهدف الوطني ‘مزدوج الكربون’، وخلق مستقبل صناعي منخفض الكربون وراقٍ.