Электронная библиотека диссертаций и авторефератов России
dslib.net
Библиотека диссертаций
Навигация
Каталог диссертаций России
Англоязычные диссертации
Диссертации бесплатно
Предстоящие защиты
Рецензии на автореферат
Отчисления авторам
Мой кабинет
Заказы: забрать, оплатить
Мой личный счет
Мой профиль
Мой авторский профиль
Подписки на рассылки



расширенный поиск

Обезвоживание спиртов с использованием процесса первапорации на керамических мембранах из гибридного оксида кремния Фазлыев Азат Равилевич

Обезвоживание спиртов с использованием процесса первапорации на керамических мембранах из гибридного оксида кремния
<
Обезвоживание спиртов с использованием процесса первапорации на керамических мембранах из гибридного оксида кремния Обезвоживание спиртов с использованием процесса первапорации на керамических мембранах из гибридного оксида кремния Обезвоживание спиртов с использованием процесса первапорации на керамических мембранах из гибридного оксида кремния Обезвоживание спиртов с использованием процесса первапорации на керамических мембранах из гибридного оксида кремния Обезвоживание спиртов с использованием процесса первапорации на керамических мембранах из гибридного оксида кремния Обезвоживание спиртов с использованием процесса первапорации на керамических мембранах из гибридного оксида кремния Обезвоживание спиртов с использованием процесса первапорации на керамических мембранах из гибридного оксида кремния Обезвоживание спиртов с использованием процесса первапорации на керамических мембранах из гибридного оксида кремния Обезвоживание спиртов с использованием процесса первапорации на керамических мембранах из гибридного оксида кремния Обезвоживание спиртов с использованием процесса первапорации на керамических мембранах из гибридного оксида кремния Обезвоживание спиртов с использованием процесса первапорации на керамических мембранах из гибридного оксида кремния Обезвоживание спиртов с использованием процесса первапорации на керамических мембранах из гибридного оксида кремния Обезвоживание спиртов с использованием процесса первапорации на керамических мембранах из гибридного оксида кремния Обезвоживание спиртов с использованием процесса первапорации на керамических мембранах из гибридного оксида кремния Обезвоживание спиртов с использованием процесса первапорации на керамических мембранах из гибридного оксида кремния
>

Диссертация - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Фазлыев Азат Равилевич. Обезвоживание спиртов с использованием процесса первапорации на керамических мембранах из гибридного оксида кремния: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.17.08 / Фазлыев Азат Равилевич;[Место защиты: Казанский национальный исследовательский технологический университет].- Казань, 2016

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

  1. 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.

  2. 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).

  3. Разработка совмещенной технологической схемы с применением процесса первапорации для снижения энерго- и ресурсозатрат при обезвоживании азеотропных водно-спиртовых смесей.

Методы исследования

  1. Проведение экспериментальных исследований на первапорационной установке.

  2. Методы планирования экспериментов и статистической обработки экспериментальных данных.

  3. Математическое моделирование массопереноса через мембрану.

Научная новизна

  1. 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

  2. Разработана математическая модель процесса массопереноса через непористую мембрану, в которой учитывается процесс диффузии компонентов, осуществляемый только через активные каналы в селективном слое.

  3. 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

  1. 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.

  2. 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

  1. Создана экспериментальная установка для изучения процесса первапорации на различных мембранах.

  2. 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.

  3. Обнаружено, что концентрационные и температурные зависимости коэффициента разделения имеют максимум, что необходимо учитывать для определения оптимальных условий проведения процесса.

  4. 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

  5. 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.

  6. Было выявлено, что потоки чистых компонентов через мембрану HybSi имеют линейную зависимость от температуры.

  7. 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.

  8. 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.

  1. Разработанная математическая модель базируется на законах сохранения, термодинамики и теории массопереноса.

  2. 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