خوراکی . بهداشتی-درمانی . دانستی ها

استخراج نمک از آب نمک به وسیله پسماند گرم واحد های صنعتی

سید حسن زوار موسوی1*، بهرام محمدی1، حمیدرضا مولایی2

1- دانشگاه سمنان، دانشکده علوم پایه گروه شیمی

2- دانشگاه سمنان، حوزه معاونت پژوهشی دانشگاه

* hzmousavi@semnan.ac.ir

چکیده

فرآیند استخراج نمک از آب نمک شامل حداقل یک مخزن تبخیر روباز است. بخشی از آب نمک در واحد گرم کننده که در خارج از مخزن تبخیر قرار دارد، گرم و دوباره به مخزن تبخیر برمی‌گردد. واحد گرم کننده گرمایی پسماند یک واحد خنک کننده صنعتی را دریافت می کند. بر طبق این فرایند مقادیر آب و هوا و درجه خنک کننده اندازه‌گیری می‌شود و در واحد کنترل محاسبه می‌شود. حداقل بخشی از آب نمک گرم شده و مقداری آب نمک گرم نشده به وسیله سیستم اسپری کننده از مخزن تبخیر اسپری می‌شود. مقدار آب نمک اسپری شده بر اساس اطلاعات به دست آمده در واحد کنترل تنظیم می گردد.

1- مقدمه

تولید نمک دارای روش های مختلفی است که بر اساس نوع منبع، شرایط آب و هوایی، امکانات انرژی و ارزش نهایی محصول در نواحی مختلف دنیا متغیر است. نمک خوراکی از معادن سنگی، آبی (آب دریاها و دریاچه های نمک، شوره زارها) استخراج می شود. اگر منبع سنگ نمک باشد با مواد منفجره یا اره های مخصوص برش داده می‌شود و اگر استحصال از گنبدهای نمکی است، نحوه رسیدن به گنبد های نمکی و چگونگی استخراج آن متفاوت است. در استحصال نمک از گنبدهای نمکی، به وسیله سنگ شکن از نوع چکشی، برای خرد کردن سنگ نمک استفاده می شود. استخراج نمک از منابع آبی نمک به روش تبخیر خورشیدی و روش تبخیر با سوخت حرارتی که همگی برای تغلیظ آب نمک است صورت می گیرد. با توجه به گسترده بودن منابع آبی نمک علاوه بر سایر منابع، این روش می تواند روش خوبی برای استخراج نمک از منابع آبی به حساب آید (۱).

ایران دارای منابع سنگ نمک و نمک آبی بسیاری می باشد که به صورت غیر متمرکز است. البته متناسب با شرایط ساختاری ایران بیشتر منابع نمک به صورت کوه های نمک با درجه خلوص بالا می باشند. منابع آب نمک ایران شامل دریاچه مهارلو در استان فارس، نمک آبی کفه استان کرمان، نمک آبی سواحل شرقی دریاچه ارومیه، نمک آبی تبت در آذربایجان غربی، نمک آبی کالشور در استان خراسان، نمک آبی طرود، بیدستان سرکویر و نمک آبی اطراف شاهرود در استان سمنان و بسیاری از منابع دیگر است(2).

2- طرح ها و فرآیند های استخراج نمک

یک فرآیند برای استخراج نمک از آب نمک در تصفیه کننده روباز به R.B Richards Grainer معروف است. برای این منظور و برای تسریع در فرآیند تبخیر آب نمک در دمای ملایم زیر نقطه جوش معمولاً بین ۹۰ تا ۱۰۰ درجه سانتیگراد حرارت داده می شود. یک مرحله آب نمک توسط لوله‌های گرم کننده ای در داخل مخزن گرم می‌شود. در مرحله دیگر آب نمک به طور پیوسته در یک چرخه از طریق یک واحد گرم کننده داخلی عبور داده می‌شود و به مخزن تبخیرکننده برمی‌گردد. گرم کننده برای گرم کردن از اکسچنجر (Exchenger) استفاده نکرده در عوض آب نمک به وسیله بخار مستقیم گرم‌می شود.

 فرایند Grainer چندین عیب دارد، از جمله مواد مقدار انرژی مورد استفاده نسبتاً بالا است به ویژه زمانی که لازم است آب نمک در دمای تقریبا زیر نقطه جوش، بجوشد. به این دلیل این فرآیند در جاهایی استفاده می‌شود که دسترسی به انرژی راحت‌تر و ارزان تر باشد. با توجه به اینکه برای توجیه اقتصادی فرآیند و توجیه هزینه های جاری این روش در مناطقی با رطوبت زیاد به کار نمی رود. از جمله روش‌های دیگر تولید نمک از آب نمک، روشی است که در فرانسه به کار رفته است. طی این روش برای استخراج نمک یک مخزن تبخیر روباز با تابش نور خورشید استفاده می‌شود (۳).

در روش دیگر برای استخراج نمک از آب دریا، آب نمک توسط یک اسپری کننده مکرراً به بالای برج اسپری می شود. این روش نیز روش گران قیمتی محسوب می‌شود. در روش دیگر که در یک پتنت آلمانی شرح داده شده است یک سیستم مربوط به تاثیر استخراج محیطی است و آب دریا در یک مخزن گرم کننده، گرم و به طور پیوسته با دستگاه اسپری کننده اسپری می‌شود.

طرح نمک زدایی خورشیدی دیگری که در یک پتنت آلمانی شرح داده شده است مربوط به تاثیر عوامل طبیعی برای استخراج نمک است. آب دریا در مخزن ذخیره گرم و سپس اسپری می شود. این طرح سودمند، تنها به نور خورشید نیاز دارد. با این حال برای استخراج نمک مفید نیست، زیرا غلظت آب نمک در آب دریا کم است (۴).

3- طرح تولید نمک با پسماند گرم واحدهای صنعتی

این بخش به طرحی اشاره دارد که برای استخراج نمک یا بازدهی بالا، با در نظر گرفتن هزینه ها و مصرف انرژی و تنظیم نوسانات شرایط آب و هوایی اجرا شده است. با اندازه گیری پارامترهایی نظیر دمای محیط، دمای پسماند و ثبت آن در واحد کنترل برای بهینه سازی روش استفاده می شود.

علاوه بر این موضوع این طرح برای ساخت یک واحد استخراج نمکی طراحی شده است که فقط گرمای خروجی پسماند پسماند حاصل از دیگر واحدهای صنعتی را استفاده می کند. آب نمک مورد استفاده در این طرح به بالای مخازن تبخیر اسپری می شود تا به طور کامل غلیظ شود. آب نمک می تواند به دقت خالص سازی شود یا اینکه می تواند به صورت ناخالص استفاده شود. این طرح از مخازن آب نمک روباز استفاده می کند. علاوه بر آن فرآیند تبخیر به کمک فرایند خورشید و استفاده از نیروی باد انجام می شود. گرمای لازم برای گرم کردن و تبخیر آب نمک از گرمای پسماند واحدهای صنعتی دیگر قابل تامین است. بخشی از آب نمک به بالای مخزن تبخیر اسپری ، باقی‌مانده به طور مستقیم به مخزن برگشت داده می شود. این کار جهت تسریع فرآیند تبخیر انجام شده . گرم کردن آب نمک می تواند در واحد گرم کننده یا اینکه در بخش جداگانه ای انجام شود. واحد گرم کننده ترجیحا می تواند یک مبدل گرم کننده خارجی در درون مخزن تبخیر باشد. این امکان وجود دارد که  تاثیر عوامل طبیعی مثل دمای محیط، رطوبت و سرعت باد به ویژه اسپری کردن آب نمک گرم شده با شرایط آب و هوایی تطبیق داده شود، زیرا این طرح ممکن است برای استخراج نمک به صورت مخازن روباز و نیز در نواحی که شرایط آب و هوایی مناسبی برای استخراج نمک وجود ندارد، به کار گرفته شود.

4- تشریح طرح

طرح مذکور برای استخراج نمک از آب دریا شامل یک یا بیش از چند مخزن تبخیر رو بازی است که به طور متوالی به یکدیگر متصلند. مخازن تبخیر به نحوی طراحی می شوند که در مسیر جریان باد باشند و در طول یکدیگر بسط یافته اند. در شروع طرح حداقل یک مخزن تبخیر (1) با آب نمک پر میشود (2) در این صورت مخزن (۲) غلظتی بین ۳ تا ۲۶ درصد وزنی کلرید سدیم دارد. بخش کمی از آب نمک (۲) از طریق لوله‌هایی (۳)  از مخزن تبخیر (1) به واحد گرم کننده داخلی انتقال می‌یابد. این مقدار آب نمک به وسیله پسماند یک واحد صنعتی گرم میشود. آب نمکی که دمایی بین ۳۵ تا ۸۰ دارد. گرمای مورد نیاز خود را از واحد گرم کننده (۴) که غالباً شامل مبدل گرمایی تعمین می کند. بخشی از آب نمک گرم شده از طریق لوله (3) به مخزن تبخیر (1) برگشت داده می شود. بخش باقی مانده از طریق مقادیر قابل کنترل به لوله(۵) پمپ می شود.

در انتهای مسیر بخشی از آب نمک از طریق لوله (۳ ) به لوله (۵) اضافه می شود. آب نمک (۳) آب نمک تبخیر (۱) است که به لوله (۵) اضافه شده است و سرانجام لوله (۵)حاوی آب نمک گرم شده به واحد اسپری کننده (6) متصل می شود که  واحد گرم کننده فرعی(4) محسوب می‌شود. نمک (۷) در انتهای مخزن تبخیر (۱) کریستالیزه می‌شود. نمک کریستالیزه شده در این مرحله در دیگر مخازن تبخیر روباز متوالی که در کنار یکدیگر تعبیه شده‌اند ذخیره می شود. انتهای چرخه در مخازن تبخیر روباز (1) واحدی است که نمک کریستالیزه شده را به دست می دهد. از آنجایی که این طرح در مخازن روباز و با استفاده از نور خورشید، سرعت جریان باد انجام می شود، شرایط آب و هوای  محیط، دما و رطوبت در میزان عملکرد این طرح بسیار حائز اهمیت است . از این رو عوامل محیطی موثر اندازه گیری شده و در واحد کنترل برای برنامه‌ریزی به کار گرفته می‌شوند. واحد کنترل با اطلاعات به دست آمده و با تنظیم میزان خروجی آب نمک در واحد اسپری کننده و میزان دمای آب نمک، شرایط بهینه را برای استخراج نمک فراهم می آورد. شکل 1

در این طرح واحد کنترل علاوه بر اندازه گیری شدت عوامل محیطی و استفاده و تنظیم شدت خروجی اسپری کننده و با تنظیم قطر نازل ها به بهینه سازی روش کمک می کند. به هر حال مقدار آب نمک اسپری شده با مقدار آب نمکی که از طریق پسماند گرم شده، تنظیم می‌شود. بنابراین علاوه بر شرایط آب و هوایی دمای خروجی پسماند در میزان آب نمک اسپری شده موثر است. در حقیقت مقدار آب نمک اسپری شده به طور موثری در محاسبات اقتصادی طرح موثر است (۳ و ۵).

5- نتیجه گیری

در کارخانجات تولید نمک فرایند استخراج نمک با کمک بخار آب به عنوان منبع گرمایی استفاده می‌شود. با عبور بخار از درون مخازن فشار درونی آن به کمتر از فشار اتمسفر رسیده و نقطه جوش محلول آب نمک کم می شود. این فرآیند در مخازنی متوالی و مراحل پیوسته است به کار می رود. در مراحل انتهایی چرخه آب نمک غلیظ تولید شده با استفاده از سانتریفیوژ مناسب کریستالهای نمک را جدا می کند( ۵ و ۶). بخار آب مورد نیاز این فرآیند از سوخت فسیلی تامین می‌شود. از این رو اغلب این فرایندها گران قیمت و با هزینه بالایی همراه است که ضرورت دستیابی به سوخت ارزان در توجیه اقتصادی بودن طرح استخراج نمک اهمیت پیدا می‌کند. از طرف دیگر این فرایند در دمای بالای آب نمک که غالباً تا نزدیک دمای جوش آب نمک است سبب خوردگی مخازن می‌شود(7).

طرح استخراج نمک با نور خورشید در مقایسه با طرح های معمول در فرایندهای استخراج نمک به خاطر بهره‌گیری از چند منبع از جمله استفاده از پسماند گرم واحدهای صنعتی دیگر و بهره گیری از نور خورشید علاوه بر صرفه جویی در مصرف انرژی به خاطر استفاده از مخازن روباز غیر فلزی خسارت ناشی از خوردگی درگیر در فرایند استخراج نمک از لحاظ اقتصادی قابل توجیه خواهد بود.

منابع : مجموعه مقالات همایش ملی نمک

730