Badanie odwadniania alkoholi metodą perwaporacji z

Badanie odwadniania alkoholi metodą perwaporacji z wykorzystaniem membrany zeolitowej typu NaA.
Marek Pawlak
Promotor pracy: dr inż. Andrzej Krasiński
Cele i zakres pracy
Celem pracy było przeprowadzenie badań dehydratacji alkoholi w układzie testowym procesu perwaporacji,
aby wyznaczyć parametry procesu pod kątem selektywności rozdziału oraz wydajności.
Wyniki badań eksperymentalnych dla warunków Tnadawy=80℃, p=50 mbar
200,00
100%
strumień
permeatu
[g∙m-2∙min]
Poszczególne etapy pracy obejmowały:
Przegląd literatury dotyczącej omawianego procesu;
Krytyczna analiza konstrukcji istniejącego układu badawczego procesu perwaporacji, podsumowana listą
propozycji zmian, które znacząco ułatwiłyby obsługę, a niektóre z nich znacząco poprawiły jej działanie;
Wykonanie wybranych zmian konstrukcyjnych poprawiających obsługę i działanie istniejącej instalacji
badawczej;
Przeprowadzenie wstępnych badań w celu określenia najkorzystniejszych warunków ciśnienia
i temperatury dla prowadzenia badań;
Przygotowanie metod analitycznych (m.in. wykonanie krzywych wzorcowych współczynnika załamania
światła dla wodnych roztworów alkoholi, opracowanie metodyki analizy zawartości wody metodą Karla
Fischera);
Przeprowadzenie badań odwadniania dla czterech alkoholi wybranych do badań;
Analiza wyników oraz wnioski dotyczące przebiegu procesu perwaporacji.
stężenie
alkoholu
[%obj.]
wydajność, g/m2*min
150,00
80%
stężenie (obj.) alkoholu w
nadawie, %
250,00
wydajność, g/m2*min
stężenie (obj.) alkoholu w
nadawie, %
60%
stężenie (obj.) alkoholu w
permeacie, %
100,00
stężenie (obj.) alkoholu w
permeacie, %
150,00
40%
80%
60%
40%
100,00
50,00
20%
0,00
0
200
400
600
800
czas [min]
1000
1200
0%
1400
20%
50,00
0,00
0%
0
100
200 czas [min]
300
2-propanol
100%
stężenie
alkoholu
[%obj.]
80%
wydajność, g/m2*min
stężenie (obj.) alkoholu w nadawie,
%
500
8,00
100%
stężenie
alkoholu
[%obj.]
strumień
permeatu
[g∙m-2∙min]
80%
6,00
wydajność, g/m2*min
60%
stężenie (obj.) alkoholu w
nadawie, %
60%
stężenie (obj.) alkoholu w
permeacie, %
30,00
400
1-butanol
60,00
45,00
Zdjęcie instalacji: 1-chłodnica nadawy, 2obudowa zawierająca moduł zeolitowy, 3pompa obiegowa, 4-pompa próżniowa, 5zbiornik nadawy z zainstalowanymi
nagrzewnicami, 6-odkraplacz, 7-chłodnica
permeatu, 8-zbiornik akumulacyjny
skroplin (permeatu), 9-cylindryczny moduł
zeolitowy, 10-zawór spustowy i poboru
próbek nadawy.
100%
stężenie
alkoholu
[%obj.]
permeatu
[g∙m-2∙min]
200,00
strumień
permeatu
[g∙m-2∙min]
Układ badawczy
300,00
strumień
4,00
stężenie (obj.) alkoholu w
permeacie, %
40%
40%
2,00
15,00
20%
20%
0,00
0%
0
100
200
300
czas
[min]
400
1-pentanol
500
600
0,00
0%
0
100
200
300czas [min]400
500
600
700
alkohol benzylowy
W pracy wykazano skuteczność membrany zeolitowej typu NaA do dehydratacji wybranych alkoholi w procesie perwaporacji. Osiągnięte odwodnienia
były podobne dla wszystkich alkoholi – stężenie końcowe alkoholu w zakresie 98,2÷99,8%. Dodatkowym atutem metody jest przekroczenie w czasie
prowadzenia odwadniania punktów azeotropowych etanolu [2] oraz izopropanolu – odpowiednio 95,6% i 87,9%, co jest istotną przewagę odwadniania
prowadzonego tą metodą nad procesem destylacji.
Z przedstawionych wyników badań bardzo wyraźnie widać, że wraz ze spadkiem stężenia wody w nadawie wyraźnie spada wydajność procesu.
Dodatkowo towarzyszy temu wzrost zawartości alkoholu w permeacie.
Badania odwadniania alkoholi przerywano w momencie, gdy wydajność procesu była niewielka (we wszystkich przypadkach osiągano wówczas
zadowalające odwodnienie) lub gdy następowało przebicie membrany. Procesu nie optymalizowano pod kątem opłacalności, na którą w sposób
niekorzystny wpływały nie tylko straty przechodzącego alkoholu do permeatu, ale także nakład energii. Należy jednak zauważyć, że procesu odwadniania
przebiegał dalej (choć z bardzo małą wydajnością). Dlatego też w sytuacji, gdy pożądanym byłoby uzyskanie wysokiego odwodnienia, nawet kosztem
dużego zużycia energii oraz długotrwałego działania instalacji, potencjalnie jeszcze lepsze odwodnienie nadawy wydaje się być osiągalne. W związku z
powyższym, bardzo cennym byłoby przeprowadzenie w przyszłości badań w celu określenia maksymalnego możliwego odwodnienia, a także analizy
kosztowo-procesowej bardzo „głębokiego” odwadniania.