Введение к работе
Актуальность темы
Одним из наиболее распространенных процессов разделения гомогенных смесей является перегонка или ректификация. Применение данного процесса разделения сопряжено с высоким энерго- и ресурсопотреблением, а также имеет ограничения, связанные с разделением азеотропных, близкокипящих и термически не стабильных смесей. Для разделения этих типов смесей перегонкой требуется применение специальных ее видов (экстрактивной или азеотропной ректификации), либо ректификации под вакуумом. Это сопряжено с дополнительными энергетическими и капитальными затратами, связанными с выбором азеотропного или экстрагирующего агента, использования стадии регенерации или создания вакуума в колонне.
Одной из альтернатив перегонке является мембранный процесс разделения, называемый первапорацией (по-английски, pervaporation; слово представляет собой синтез двух английских слов: permeation и evaporation). В основу данного метода разделения положен принцип разного сродства компонентов разделяемой жидкой смеси с материалом мембраны. В результате этого становится возможным разделять азеотропные, термонестабильные смеси и смеси различных изомеров, а также близкокипящих смесей.
Разделение водных растворов спиртов – наиболее распространенная задача, встречающаяся в химической и других отраслях промышленности. Многие из спиртов образуют с водой азеотроп, препятствующий получению обезвоженного продукта традиционной перегонкой. Тем не менее, обезвоженные спирты находят применение в медицине, пищевой, топливной и других отраслях промышленности. Для решения задач выделения воды из спиртового раствора первапорацией используются гидрофильные мембраны.
Для проектирования мембранного оборудования необходимо знать
величину мембранной поверхности, обеспечивающую требуемый коэффициент
разделения и производительность для выбранной задачи разделения. Кроме того,
от площади мембран существенно зависит стоимость оборудования. Требуемая
площадь поверхности мембран связана с их производительностью и
коэффициентом разделения. Установить количественные значения этих
характеристик для конкретного типа мембран, а также их изменение в
зависимости от условий процесса первапорации можно на основе
экспериментальных исследований. В силу высокой трудоемкости
экспериментальных исследований представляется целесообразным уменьшить его количество с последующим моделированием процесса первапорации для поиска оптимальных условий проведения процесса. Для этих целей необходимо иметь математическую модель, адекватно описывающую процесс первапорации в зависимости от основных факторов, влияющих на этот процесс.
Цель работы
Разработка энергоресурсосберегающей совмещенной технологической схемы на основе ректификации и первапорации для обезвоживания азеотропных водно-спиртовых смесей.
Задачи исследования
-
Проведение экспериментальных исследований первапорационного разделения водных смесей этанола и изопропанола на мембранах HybSi для определения зависимости потоков компонентов и коэффициента разделения от состава исходного сырья, температуры и глубины вакуума со стороны пермеата.
-
Разработка математической модели массопереноса через мембрану в процессе первапорации, адекватно учитывающей основные факторы, влияющие на этот процесс (температура и расход сырья, вакуум со стороны пермеата, геометрия мембраны, гидродинамика сырьевого потока).
-
Разработка совмещенной технологической схемы с применением процесса первапорации для снижения энерго- и ресурсозатрат при обезвоживании азеотропных водно-спиртовых смесей.
Методы исследования
-
Проведение экспериментальных исследований на первапорационной установке.
-
Методы планирования экспериментов и статистической обработки экспериментальных данных.
-
Математическое моделирование массопереноса через мембрану.
Научная новизна
-
Получены экспериментальные данные по потокам компонентов и коэффициенту разделения процесса первапорации при обезвоживании этанола и изопропанола на гидрофильных мембранах HybSi в широком концентрационном диапазоне, различных температурах сырья и величинах вакуума в пермеатной части
-
Разработана математическая модель процесса массопереноса через непористую мембрану, в которой учитывается процесс диффузии компонентов, осуществляемый только через активные каналы в селективном слое.
-
Для воды, этанола, изопропанола получены температурные зависимости коэффициентов проницания через гидрофильные керамические мембраны HybSi, а также температурные зависимости параметров в модели Ленгмюра для сорбции этих веществ на поверхности мембраны.
Положения, выносимые на защиту
-
Экспериментальные данные по потокам компонентов через мембрану и коэффициенту разделения при обезвоживании водно-спиртовых смесей на керамических первапорационных мембранах HybSi при различных условиях проведения процесса.
-
Математическая модель, описывающая процесс первапорации на непористых мембранах.
Личный вклад автора
Разработка и создание экспериментальной первапорационной установки.
Проведение экспериментов и обработка экспериментальных данных. Проведение
аналитических измерений составов и свойств разделяемых смесей. Участие в
создании математической модели для описания процесса массопереноса через
непористую мембрану. Проведение расчетов. Сопоставление с
экспериментальными данными и идентификация параметров модели. Разработка
совмещенной схемы для обезвоживания этанола и изопропанола и
сравнительный экономический анализ с азеотропной и вакуумной
ректификацией.
Теоретическая и практическая значимость работы
-
Создана экспериментальная установка для изучения процесса первапорации на различных мембранах.
-
Получены экспериментальные данные в широком концентрационном диапазоне от ~50 до ~1 мас. % воды в сырье при обезвоживании этанола и изопропанола. Изучено влияние температуры сырья и величины вакуума со стороны пермеата на процесс первапорации.
-
Обнаружено, что концентрационные и температурные зависимости коэффициента разделения имеют максимум, что необходимо учитывать для определения оптимальных условий проведения процесса.
-
Разработана математическая модель, адекватно описывающая массоперенос через непористую мембрану в зависимости от основных факторов, влияющих на процесс. Для идентификации параметров математической модели требуется ограниченное количество экспериментальных данных
-
На основе анализа экспериментальных данных по обезвоживанию спиртов было показано принципиальное значение используемого в разработанной модели предположения о диффузии компонентов через активные каналы селективного слоя.
-
Было выявлено, что потоки чистых компонентов через мембрану HybSi имеют линейную зависимость от температуры.
-
Показано, что толщина селективного слоя мембраны может быть параметром оптимизации процесса первапорации, так как ее увеличение приводит к снижению величины потока пермеата, но в то же время увеличивает коэффициент разделения.
-
Проведен сравнительный технико-экономический анализ получения обезвоженного этанола и изопропанола методами вакуумной, азеотропной ректификацией и гибридной ректификационно-первапорационной схемой. Было выявлено возможное сокращение себестоимости обезвоживания этанола и изопропанола на 50% при использовании гибридной схемы, по сравнению с азеотропной и вакуумной ректификацией.
Достоверность результатов
1) Надежность экспериментальных данных подтверждается их
воспроизводимостью в однотипных сериях экспериментов, а также
использованием для их получения современного аналитического
оборудования.
-
Разработанная математическая модель базируется на законах сохранения, термодинамики и теории массопереноса.
-
Надежность математической модели подтверждается удовлетворительным согласованием рассчитываемых и экспериментальных данных в широкой области составов и условий проведения процесса первапорации, полученных в данной работе, а также экспериментальных данных, полученных другими авторами по потокам воды через мембраны HybSi и NaA для разных растворов, толщин селективного слоя, температур сырья и вакуума в пермеатной части.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференция "Актуальные вопросы и перспективы развития ОАО "КазаньОргсинтез" (г. Казань, 2013); Всероссийской научно-методической конференции по программе «Инновационные проекты и технологии в газохимической отрасли», где был присужден диплом I степени (г. Казань, 2014); VIII – Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-28» (г. Ярославль, 2015). Ежегодно с 2011 по 2016 год результаты докладывались на научной сессии ФГБОУ ВО «КНИТУ» (г. Казань).
Публикация результатов работы
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, из которых 6 статьей из перечня рецензируемых научных изданий, рекомендованных ВАК МОН РФ (в том числе 2 - индексируемые в Web of Science), 2 - печатные работы в материалах конференции.
Объем и структура работы