Egnet og skalerbar proces for genanvendelse af NMP

pH Justering af NMP strømmen
pH styring af den NMP-holdige fraktion udgør det første trin i processen. Under udviklingen kunne det ses, at ved pH værdier i det basiske område gav kombinationen af høj vandkoncentration og høj pH tendenser til kraftig skumdannelse i processen. Skummet kunne holdes nede ved hjælp af tilsætning af skum-hæmmende additiver, men ved den høje pH kom der ligeledes en del flygtige og ildelugtende organiske aminer med over i destillatet.
Det blev fundet, at den bedste pH til det indgående materiale til den første destillation er svagt sur til neutral. Det bedste område for den videre proces findes ved at holde pH svagt sur inden for 0,5 pH-enhed. Fordelen ved det sure pH-område er, at alle de flygtige organiske aminer tilbageholdes med NMP’en samtidig med at en stor del af de flygtige organiske syrer kommer over i destillatet. Selve pH-styringen af NMP fraktionen foregår i en stor blandetank, hvor pH løbende justeres ned med saltsyre før første destillationstrin.

Destillation 1
Den pH-justerede fraktion bliver tilsat til destillationskolonnen hvorfra det løber ned i sumpen og bliver pumpet op over en FFE¹. Dampen ledes igennem destillationskolonnen og kondenseres på den anden side af kolonnen i kondensatorer. Eftersom NMP nedbrydes hurtigt ved temperaturer over 150 grader celsius – hvor det omdannes til en mørkebrun væske – er der en naturlig begrænsning for den temperatur der kan benyttes i processen. Ved standardprocesser holdes temperaturen på minimum 50 grader celsius under nedbrydningstemperaturen. For at have en hurtig fordampning fra væsken ved den reducerede temperatur blev destillation 1 derfor testet og udført ved reduceret tryk.
Under udviklingen viste det sig også er det ercentralt at have et rimeligt tilbageløb af kondensatet i destillationskolonnen for at sikre den rigtige køling og derved undgå tab af NMP i destillatet. Ved de givne betingelser til processen undgås tab af NMP. Det er samtidig muligt at opnå en koncentration af NMP på over 45 pct. over første destillationstrin. Såfremt NMP-koncentrationen bliver for høj risikeres udfældning af salte og protein i destillationskolonnen og FFE. Dette er uhensigtsmæssigt, da det vil føre til produktionsstop og rensning af udstyr. Destillatet fra processen indeholder primært vand, ethanol og andre let flygtige organiske forbindelser. Hele processen kan køre kontinuerligt og giver derfor en god drift af anlægget, da der ikke skal stoppes og startes når først destillationen er i gang.

Destillation 2
Denne destillationsproces er noget mere kompleks og kræver flere enhedsoperationer undervejs. Processen må nødvendigvis udføres som en batchproces med monitorering og justering af forskellige parametre undervejs. Selve udstyret er egentlig en vakuumblandetørrer eller vacuum dryer mixer (VD) til blanding og tørring af fast stof. Den har et unikt design, der sikrer en god opblanding og varmeudveksling af fast stof og suspensioner under tørring. Derudover har den et filterhus på toppen, der forhindrer støvpartikler i at forlade destillationen i VD’eren. Støvpartiklerne kan opstå i den sidste fase af NMP-opsamlingen og det er uhensigtsmæssigt, at salte eller proteinerne kan bevæge sig over på den rene solventside. Derfor er filterhuset en del af den mekaniske barriere
Første del af processen går ud på at øge NMP koncentrationen til der er 5-15 pct. vand tilbage. Det sker ved gradvist at fylde den opkoncentrerede NMP ind i VD’eren samtidig med at vandet destilleres af. Denne første del af processen har ved test vist at foreløbe godt ved temperaturer under 70 grader celsius og et reduceret tryk. 

Når den ønskede NMP koncentration er opnået påbegyndes anden del af processen, hvor vakuum i reaktoren brydes med nitrogen til atmosfærisk tryk. pH justeres til svagt basisk med natrium hydroxid, samtidig med at temperaturen hæves svagt til lige under 90 grader celsius. Den øgede pH deprotonerer de organiske syrer og ændrer derved deres kogepunkt så kraftigt, at de ikke længere destilleres ud i kondensatet fra VD’eren. Næste skridt er at reducere trykket, hvor en mindre fraktion af letflygtige aminer – og andre stoffer med sublimerende egenskaber – fjernes fra processen. De letflygtige aminer kondenseres separat i en tank indeholdende fortyndet eddikesyre, hvor de straks protoneres og ikke længere er lugtbare og letflygtige.

Tredje del af processen består i, at dehydrere NMP i VD’eren. Dette styres ved hjælp af en nær infrarød måler (NIR), der kan måle vandkoncentrationer ned til en vægtprocent under 0,1. Når vandindholdet er under 0,1 kan opsamlingen af ren NMP påbegyndes. Når vandindholdet reduceres, starter en kraftig udfældning af salte og proteiner i VD’eren. Det betyder, at indholdet går fra at være en væske til en meget tyk ”havregrød”, der er udfældninger som normalt procesudstyr ikke kan håndtere. Udstyret er derfor specielt udvalgt til denne proces, og er særdeles velegnet til denne del af processen, da det er designet til omrøring i fast stof.
Fjerde del af VD-processen består i at få alt NMP ud fra VD og opsamlet i lagertanke. Dette gøres samtidigt med, at temperaturen holdes under 100 grader celsius, hvilke sker ved et lavt tryk. Den rene NMP kan opbevares på tanke under et dække af nitrogen, så oxidation af produktet undgås.

Når hele processen sættes sammen, er det muligt  at opnå en genanvendelse på mere end 99 pct. Dette medfører en reduktion af CO2 aftrykket fra den NMP-holdige processtrøm i fremtiden med 1,6 tons CO₂ for hvert ton, der bliver sendt igennem genoprensningsprocessen.