Номер 36 —  2007

ДИСТИЛЛЯЦИЯ ПЕРХЛОРЭТИЛЕНА:
КАК, КОГДА И ЗАЧЕМ

Все мы знаем, что в процессе чистки в перхлорэтилене растворитель нуждается в дистилляции. Данный материал посвящен особенностям этого процесса, с которым большинство из нас сталкивается практически ежедневно.

Как правило, поступающие на предприятие изделия подвергаются обработке в перхлорэтилене либо в воде (процент альтернативных растворителей пока еще достаточно мал, и мы его не рассматриваем). По окончании процесса чистки пути этих обогащенных загрязнениями жидкостей расходятся: вода сливается в канализацию либо отправляется на очистку; перхлорэтилен подвергается дистилляции. Разница в дальнейшей «судьбе» отработанных растворителей (поскольку вода также является растворителем) определяется тремя факторами: стоимостью, влиянием на окружающую среду и различной энергоемкостью. Последнее подразумевает тот факт, что, если бы мы хотели дистиллировать отработанную воду, для этого процесса потребовалось бы в десять раз больше энергии, нежели на дистилляцию перхлорэтилена.

Дистилляция (от латинского distillatio - «стекание каплями»), перегонка, разделение жидких смесей на отличающиеся по составу фракции. Процесс основан на различии температур кипения компонентов смеси. В зависимости от физических свойств компонентов разделяемых жидких смесей применяют различные способы дистилляции - простую, фракционную, равновесную, молекулярную и т.д.

Зачем нужна дистилляция перхлорэтилена? Потому что данный процесс, заключающийся, грубо говоря, в его вынужденном переходе из одного состояния в другое и обратно, является наиболее простым и действенным способом, чтобы привести растворитель в начальные условия чистоты и оставить в дистилляционном устройстве все жидкие и твердые загрязнения, которые были удалены с изделий в процессе их чистки.

Как осуществляется процесс дистилляции? В его основе лежит разность температур кипения различных компонентов жидкости. Так, чистый перхлорэтилен при атмосферном давлении кипит при температуре 121?С (вода, соответственно, при 100?С), а вот попавшие в растворитель загрязнения имеют температуру кипения, значительно превышающую данный показатель для чистой жидкости. Проще говоря, когда перхлорэтилен и вода переходят из жидкого состояния в газообразное, находящиеся в них загрязнения остаются в своем прежнем состоянии (жидкость или твердое тело) и продолжают находиться в исходной емкости, таким образом отделившись от чистого вещества.

Грязный растворитель попадает в дистилляционный бак, дно которого нагревается и приводит перхлорэтилен в состояние кипения. Пары чистого растворителя и воды поступают в конденсационное устройство, где происходит их охлаждение и переход в жидкое состояние (собственно конденсация). Отсюда жидкость попадает в сепаратор - водоотделитель. Перхлорэтилен и вода, имея разные молекулярные массы, разделяются, и чистый перхлорэтилен поступает из водоотделителя в чистый бак машины химчистки.

Сколько растворителя необходимо дистиллировать? Многочисленные тесты показывают, что основным критерием определения необходимого для дистилляции количества перхлорэтилена является масса обрабатываемых изделий. Логично, однако зависимость эта далеко не прямая - существует еще целый ряд факторов, влияющих на данный показатель:

- местонахождение предприятия (климатические условия, традиции населения), определяющее структуру ассортимента изделий и степень их загрязнения;
- тип и социальный уровень основного круга клиентов;
- характеристики машины химчистки и способ нагрева дистиллятора;
- тип нагрева (электрический или паровой);
- человеческий фактор (не нарушается ли технология чистки путем использования грязного растворителя).

В реальности - все зависит от практики работы предприятия. Однако наиболее распространенным на большинстве предприятий Европы является «правило второй ванны»: дистилляция первой ванны с последующим полосканием чистым растворителем.

Какие стадии включает процесс дистилляции, и что происходит на каждой стадии? Первая фаза - нагрев двойного дна дистиллятора паром. Температура растворителя постепенно увеличивается, и его испарение происходит исключительно с поверхности. Нагрев жидкости требует необходимого количества тепловой энергии: жидкость, находящаяся в контакте с нагреваемой поверхностью, увеличивается в объеме и поднимается вверх. На этой стадии для нагрева каждого килограмма перхлорэтилена требуется 0,2 ккал тепловой энергии (для нагрева 1 кг воды - 1 ккал).

В процессе нагрева слой растворителя, находящийся в контакте с нагреваемой поверхностью, достигает температуры 121?С, в результате чего начинают образовываться пузырьки пара, которые отрываются от нагреваемой поверхности и поднимаются вверх. Между тем верхний слой растворителя в дистилляторе еще не нагрелся до температуры кипения, и поэтому пар в пузырьках, встречаясь с более холодной жидкостью, конденсируется, и пузырьки исчезают (коллапсируют). Когда все слои находящейся в дистилляторе жидкости достигают температуры 121?С, начинается собственно процесс кипения. В этот момент в дистилляционном баке слышен характерный шум лопающихся пузырьков.

В процессе кипения растворителя начинается собственно дистилляция. Пузырьки образуются не только по причине контакта с нагретым дном дистилляционного бака, но и во всех слоях жидкости и больше не коллапсируют. Температура кипящей жидкости во всех слоях практически одинакова. Внутреннее давление паров перхлорэтилена при кипении соответствует величине атмосферного давления.

Тепловая энергия на этой стадии значительно выше, нежели при превращении жидкости в пар: для перхлорэтилена она составляет 50 ккал/кг (раз уж начали сравнивать с водой, отметим, что для воды необходимо 540 ккал/кг). Движение молекул внутри жидкости отличается в этот момент высокой интенсивностью. Время, необходимое для нагрева и испарения находящейся в дистилляторе жидкости, зависит от ее количества и от площади нагреваемой поверхности.

Любопытно заметить, что если на этой стадии мы еще более увеличим температуру нагрева, в нижней части бака, контактирующей с нагреваемой поверхностью, образуется слой паров растворителя (а не пузырьки!). Эти пары, обладая плохой теплопроводностью, будут замедлять процесс дистилляции.

Как изменяется температура перхлорэтилена в процессе дистилляции?Она не остановится на значении 121?С, а будет повышаться и далее. Дело в том, что чистый растворитель испаряется, а находившиеся в нем твердые и жидкие загрязнения (включая различные жиры и масла) остаются в дистилляторе. Таким образом, процент загрязнений в баке с испарением чистого растворителя увеличивается, что приводит к дальнейшему повышению температуры, необходимой для испарения находящейся в дистилляторе жидкости.

Температура находящейся в дистилляторе жидкости изменяется с увеличением в ней содержания минеральных масел. Начинается кипение со 121?С (чистый растворитель). В момент, когда температура жидкости в дистилляторе достигает 160?С, количество собственно перхлорэтилена там уменьшилось до 20%. Остальные 80% составляют загрязнения.

А вот здесь есть одно важное замечание: по достижении температуры 150?С перхлорэтилен начинает «страдать» - появляется тенденция к разложению и окислению, поэтому дистилляция при таких температурах нежелательна. Впрочем, на большинстве предприятий пар поставляется под давлением 4, максимум 4,5 атмосферы (кстати напомним, что с 2009 года в Европе в качестве единственной единицы измерения давления будет принят килопаскаль: 1 атм = 100 кПа). Учитывая разность температур паров растворителя, контактирующих с нагреваемой поверхностью дистиллятора, и жидкого (чистого) растворителя, температура остающейся в дистилляторе смеси из перхлорэтилена и загрязнений, как правило, составляет около 140?С.

Затем, когда остающаяся в баке смесь достигает своего температурного максимума - того, что позволит ей достичь давление паров, - кипение закончится. Возвращаясь к диаграмме 1, мы видим, что при температуре 140?С содержание в растворителе масел составляет 65%, а остальные 35% приходятся на собственно растворитель. Для дальнейшего снижения содержания перхлорэтилена в растворительном шламе существуют два пути: увеличить температуру смеси (то есть увеличить давление пара нагрева) либо дистиллировать под вакуумом (с тем, чтобы снизить температуру кипения). Первый путь приведет к разложению перхлорэтилена; второй слишком дорог и неудобен. Таким образом, в растворительном шламе обычно содержится еще 35% перхлорэтилена; остальные 65% используются повторно.

И все же существует способ «вытащить» из шлама остающийся там перхлорэтилен: азеотропная дистилляция. Слово «азеотроп» - греческого происхождения, в дословном переводе означает «изменение частей кипения». Азеотропная смесь – это нераздельно кипящая смесь, которая при перегонке не разделяется на фракции. Смысл в том, что одни азеотропы кипят при более высокой температуре, чем компоненты смеси, а другие – при более низкой.

В процессе обычной дистилляции вместе с перхлорэтиленом испаряется также и небольшая часть воды. Речь идет о содержащейся в одежде влаге, либо о воде, остающейся в изделиях после применения зачистных и моющих средств. Эта вода не влияет на температуру дистилляции жидкости. Как уже было сказано выше, дистилляция закончится при температуре около 140?С. Если довести количество содержащейся в остающейся жидкости воды до 15% (тогда остальные 85% будет составлять собственно шлам), дистилляция перейдет в азеотропную при температуре кипения всего 87?С.

Как осуществляется азеотропная дистилляция? Водяные пары подаются непосредственно в шлам. Когда обычная дистилляция закончена, и нужно выгрузить шлам из дистиллятора, необходимо прежде понизить температуру дистилляционного бака (если пар подать в горячий шлам, это приведет к сильному пенообразованию).

Давление прямого пара должно быть снижено до 0,3 - 0,5 атм (достаточно низкие температуры). Для регулировки подачи пара, который должен подаваться определенными порциями необходим редуктор. В смотровое окошко будет видно, что чистый растворитель будет продолжать поступать в водоотделитель, а температура жидкости останется постоянной. Когда растворитель перестанет поступать в водоотделитель (только контактная вода), это означает, что экстракция остатков перхлорэтилена из шлама завершена.

Однако азеотропная дистилляция имеет и свои недостатки. Во-первых, необходимо жестко контролировать количество поступающего в дистиллятор пара во избежание чрезмерного пенообразования. Кроме того, необходимо как можно чаще проводить выгрузку отходов из дистиллятора, предупреждая их «сваривание» и образование неприятных запахов. Наконец, отрицательным моментом азеотропной дистилляции является образование большого количества контактной воды. Поэтому такую дистилляцию следует проводить только и исключительно при наличии соответствующих систем очистки контактной воды и разрешения соответствующих контролирующих органов.

Подводные камни дистилляции

Чрезмерное пенообразование - наиболее распространенная проблема, возникающая в процессе дистилляции отработанного растворителя. Причиной ее появления становится, как правило, скопление на дне излишков твердых загрязнений и их «сваривание» в процессе кипения растворителя. Кроме того, пена может образовываться также и по причине использования некачественных моющих добавок, а также (это случается реже, но все же случается) в процессе чистки изделий, содержащих специфические загрязнения. Потери пара, пусть даже и небольшие (обычно «терять» может дно или змеевик), также приведут к чрезмерному пенообразованию в процессе дистилляции. Если со временем не замечать образования излишней пены, она может достичь конденсатора, затем - водоотделителя, и в конце концов попадет в бак с чистым растворителем.

Производители машин химической чистки разрабатывают различные приспособления с целью избежать чрезмерного пенообразования - одни разработки более удачны, другие менее. Самое простое - это дистиллятор большой высоты, с тем, чтобы пена попросту не успела выйти наружу. Более продвинутое решение заключается в наличии сенсора, который при достижении пеной определенного уровня дает об этом сигнал оператору.

Еще одна неприятная проблема при дистилляции – грязный растворитель. Собственно, дело даже не в том, что он грязный, а в том, что в результате чрезмерного пенообразования отработанный растворитель выходит из дистиллятора и попадает через конденсатор и водоотделитель в чистый бак. Приятного мало. Проблема эта, конечно, решается, но на ее устранение требуется некоторое время.

Пенообразование не единственная причина возникновения данной проблемы. Прежде всего перетекание грязного растворителя в чистый бак является прямым следствием превышения уровня растворителя в дистилляторе. К этому следует добавить превышение внутреннего давления в дистилляторе, вызванное недостаточной конденсацией. Как известно, конденсация паров перхлорэтилена приводит к резкому уменьшению объема вещества (что естественно, поскольку пар превращается в жидкость), но вместе с тем производит своеобразный вытяжной эффект, нейтрализуя таким образом давление в теплообменнике.

Некачественная или неполная дистилляция главной причиной имеет недостаточный приток охлаждающей воды в конденсационной батарее. Впрочем, это сразу определяется и устраняется с помощью термостатов - расположенных как на выходе воды из конденсатора, так и в чистом растворителе после дистилляции. Если же вдруг включение термостатов не решает проблему, следует немедленно прекратить нагрев дистиллятора.

Следует добавить, что дистилляционные камеры машин химической чистки на перхлорэтилене снабжаются специальным предохранительным клапаном, который защищает от избыточного внутреннего давления в дистилляторе. В соответствии с нормами охраны окружающей среды слив этого клапана должен быть соединен с трубой, по которой горячие пары растворителя поступают в баки машины, а не наружу. На этой трубе устанавливается термостат, который в случае повышения температуры трубы немедленно включается и блокирует дальнейший нагрев.

Энрико ХАКЕН,
Журнал Detergo, Италия

СОДЕРЖАНИЕ