真空膜蒸馏:从乙醇/水溶液中回收乙醇的建模和分析

Omar Andrés Benavides Prada, Cesar Augusto Guevara Lastre, F. Núñez, C. B. Ferreira, R. Basurto, Beatriz Torrestiana Sánchez, C. M. Nova
{"title":"真空膜蒸馏:从乙醇/水溶液中回收乙醇的建模和分析","authors":"Omar Andrés Benavides Prada, Cesar Augusto Guevara Lastre, F. Núñez, C. B. Ferreira, R. Basurto, Beatriz Torrestiana Sánchez, C. M. Nova","doi":"10.29047/01225383.56","DOIUrl":null,"url":null,"abstract":"espanolEn este trabajo se planteo un modelo matematico para la transferencia de masa y energia durante la etapa de separacion de etanol utilizando destilacion con membranas al vacio. Este modelo es uno de los pocos propuestos para el estudio de la separacion de etanol por destilacion con membranas al vacio; solo Soni, Abildskov, Jonsson y Gani (2008) han propuesto un modelo de mayor complejidad que el del presente estudio. El modelo matematico fue validado utilizando cuatro casos de estudio reportados en la literatura. El modelo permite predecir satisfactoriamente los resultados experimentales para condiciones de operacion que se encuentren entre 20 - 70oC, con 0.25 - 5% p/p de etanol en la alimentacion, presiones de 2000 - 6000 Pa y Reynolds entre 50 y 2700. Este modelo permitio realizar el analisis de la influencia de parametros de operacion y de diferentes tipos de membranas sobre variables de respuesta como flux de etanol, flux de agua y fraccion de etanol en el permeado, utilizando la herramienta Statgraphics® Centurion XVI.I y un diseno experimental factorial. El analisis de Pareto demuestra que dichos parametros afectan de forma distinta las variables de respuesta del proceso. Los dos valores de flux se incrementan con la temperatura, diametro de poro y porosidad; el espesor de la membrana tiene un efecto negativo sobre el flux de agua (para el flux de etanol su influencia no es significativa). Por otro lado, un aumento de la presion, el diametro de poro o la porosidad disminuye la concentracion de etanol en el permeado. Este ultimo se incrementa con la concentracion de etanol en la alimentacion y el espesor de la membrana. Para la destilacion membranaria al vacio, el modelo predice una concentracion de etanol en el permeado de hasta 8.8 veces la concentracion de alimentacion; dependiendo de las condiciones de operacion y de las caracteristicas de la membrana. EnglishA mathematical model was developed to describe the mass and energy transfer in the ethanol separation process by using vacuum membrane distillation. This model is one of the few proposed for studying the ethanol recovery using vacuum membrane distillation; hence, only Soni, Abildskov, Jonsson and Gani (2008) have proposed a more complex model. The mathematical model was validated using fourcase studies reported in literature. The model fairly describes reported data obtained under the following operating conditions: 20 - 70oC, ethanol concentration from 0.25 to 5% w/w, pressure of 2000 - 6000 Pa and Reynolds of 50 - 2700. The influence of operation conditions and membrane properties on ethanol and water flux, as well as on ethanol concentration in permeate were studied with this validated model by using Statgraphics® Centurion XVI.I and a factorial experiment design. Pareto analysis showed that operating conditions and membrane properties influence the process variables in different ways. For example, both flux values increase with temperature, pore diameter and porosity; but membrane thickness has a negative effect on water flux (for ethanol flux it was not significant). On the other hand, increasing pressure, pore diameter or porosity decreases permeate ethanol concentration. Last parameter increases with feed ethanol concentration and membrane thickness. In vacuum membrane distillation, the model predicts a permeate ethanol concentration 8.8 times higher than feed concentration, depending on operating conditions and membrane specifications. portuguesN este trabalho e proposto um modelo matematico para a transferencia de massa e de energia durante a etapa de separacao de etanol utilizando destilacao com membranas a vacuo. Este modelo e um dos poucos propostos para o estudo da separacao de etanol por destilacao com membranas a vacuo; somente Soni, Abildskov, Jonsson e Gani (2008) propuseram um modelo de maior complexidade que o do presente estudo. O modelo matematico foi validado utilizando quatro casos de estudo relatados na literatura. O modelo permite prever satisfatoriamente os resultados experimentais para condicoes de operacao que estao entre 20 - 70oC, com 0.25 - 5% p/p de etanol na alimentacao, pressoes de 2000 - 6000 Pa e Reynolds entre 50 e 2700. Este modelo permitiu realizar a analise da influencia de parâmetros de operacao e de diferentes tipos de membranas sobre variaveis de resposta como fluxo de etanol, fluxo de agua e fracao de etanol no permeado, utilizando a ferramenta Statgraphics® Centurion XVI.I e um desenho experimental fatorial. A analise de Pareto demonstra que ditos parâmetros afetam de forma distinta as variaveis de resposta do processo. Os dois valores de fluxo aumentam com a temperatura, diâmetro de poro e porosidade; a espessura da membrana tem um efeito negativo sobre o fluxo de agua (para o fluxo de etanol sua influencia nao e significativa). Por outro lado, um aumento da pressao, do diâmetro de poro ou da porosidade diminui a concentracao de etanol no permeado. Este ultimo aumenta com a concentracao de etanol na alimentacao e na espessura da membrana. 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摘要

本工作建立了真空膜蒸馏乙醇分离阶段的质量和能量转移的数学模型。该模型是为数不多的用于真空膜蒸馏乙醇分离研究的模型之一;只有Soni, Abildskov, Jonsson和Gani(2008)提出了一个比目前的研究更复杂的模型。本研究的目的是评估该方法的有效性,并评估该方法的有效性。该模型可以在20 - 70℃、0.25 - 5%乙醇/ w、2000 - 6000 Pa、雷诺数50 - 2700之间的操作条件下成功预测实验结果。该模型允许使用Statgraphics®Centurion XVI工具分析操作参数和不同类型的膜对响应变量(如乙醇通量、水通量和渗透中的乙醇分数)的影响。I和阶乘实验设计。帕累托分析表明,这些参数对过程响应变量的影响是不同的。这两个通量值随温度、孔径和孔隙率而增大;膜的厚度对水的流动有负面影响(对于乙醇的流动没有显著影响)。另一方面,压力、孔径或孔隙率的增加降低了渗透液中乙醇的浓度。膜的厚度随饲料中乙醇浓度的增加而增加。对于真空膜蒸馏,模型预测渗透液中的乙醇浓度高达饲料浓度的8.8倍;这取决于操作条件和膜的特性。= =地理= =根据美国人口普查,这个县的面积为,其中土地面积为,其中土地面积为。该模型是利用真空膜蒸馏研究乙醇回收的为数不多的模型之一;= =地理= =根据美国人口普查,这个县的面积为。累计in was The mathematical model validated using fourcase研究文献。该模型正确地描述了在以下操作条件下获得的报告数据:20 - 70℃,乙醇浓度0.25 - 5% w/w,压力2000 - 6000 Pa,雷诺数50 - 2700。使用Statgraphics®Centurion XVI研究了操作条件和膜性能对乙醇和水流的影响,以及对渗透中的乙醇浓度的影响。= =地理= =根据美国人口普查,这个县的总面积为,其中土地和(3.064平方公里)水。帕托分析表明,操作条件和膜性能以不同的方式影响过程变量。例如,两种通量值都随温度、孔径和孔隙度而增加;然而,膜厚对水流动有负面影响(对乙醇流动没有显著影响)。另一方面,增加压力、孔径或孔隙度降低了乙醇的渗透浓度。最后一个参数随饲料乙醇浓度和膜厚度的增加而增加。在真空膜蒸馏中,该模型预测的渗透乙醇浓度是饲料浓度的8.8倍,这取决于操作条件和膜规格。本文提出了真空膜蒸馏乙醇分离过程中质和能量转移的数学模型。该模型是为数不多的用于研究真空膜蒸馏乙醇分离的模型之一;只有Soni, Abildskov, Jonsson和Gani(2008)提出了一个比本研究更复杂的模型。该数学模型通过文献中报道的四个案例研究进行了验证。该模型可以很好地预测20 - 70℃、0.25 - 5% w / w乙醇饲料、2000 - 6000 Pa压力和雷诺数在50 - 2700之间的操作条件下的实验结果。该模型允许使用Statgraphics®Centurion XVI工具分析操作参数和不同类型的膜对响应变量的影响,如乙醇流量、水流量和渗透中的乙醇分数。我是一个因子实验设计。帕累托分析表明,这些参数对过程响应变量有不同的影响。这两个流量值随温度、孔径和孔隙度的增加而增加;膜厚对水流有负面影响(对乙醇流动的影响不显著)。另一方面,压力、孔径或孔隙率的增加会降低渗透液中乙醇的浓度。 后者随饲料中乙醇浓度和膜厚度的增加而增加。对于真空膜蒸馏,模型预测乙醇在渗透液中的浓度高达饲料浓度的8.8倍;取决于操作条件和膜的特性。
本文章由计算机程序翻译,如有差异,请以英文原文为准。
Vacuum membrane distillation: modeling and analysis for recovery of ethanol from ethanol/water solutions
espanolEn este trabajo se planteo un modelo matematico para la transferencia de masa y energia durante la etapa de separacion de etanol utilizando destilacion con membranas al vacio. Este modelo es uno de los pocos propuestos para el estudio de la separacion de etanol por destilacion con membranas al vacio; solo Soni, Abildskov, Jonsson y Gani (2008) han propuesto un modelo de mayor complejidad que el del presente estudio. El modelo matematico fue validado utilizando cuatro casos de estudio reportados en la literatura. El modelo permite predecir satisfactoriamente los resultados experimentales para condiciones de operacion que se encuentren entre 20 - 70oC, con 0.25 - 5% p/p de etanol en la alimentacion, presiones de 2000 - 6000 Pa y Reynolds entre 50 y 2700. 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Este modelo permitiu realizar a analise da influencia de parâmetros de operacao e de diferentes tipos de membranas sobre variaveis de resposta como fluxo de etanol, fluxo de agua e fracao de etanol no permeado, utilizando a ferramenta Statgraphics® Centurion XVI.I e um desenho experimental fatorial. A analise de Pareto demonstra que ditos parâmetros afetam de forma distinta as variaveis de resposta do processo. Os dois valores de fluxo aumentam com a temperatura, diâmetro de poro e porosidade; a espessura da membrana tem um efeito negativo sobre o fluxo de agua (para o fluxo de etanol sua influencia nao e significativa). Por outro lado, um aumento da pressao, do diâmetro de poro ou da porosidade diminui a concentracao de etanol no permeado. Este ultimo aumenta com a concentracao de etanol na alimentacao e na espessura da membrana. Para a destilacao membranaria a vacuo, o modelo preve uma concentracao de etanol no permeado de ate 8.8 vezes a concentracao de alimentacao; dependendo das condicoes de operacao e das caracteristicas da membrana.
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