Kongres Ohrid 2004 Che 05 Anastasovski Et Al.

XVIII Kongres na hemi~arite i tehnolozite na Makedonija sodr`ini

CHE–5 SIMULACIJA I DIZAJN NA ATSORPCIONI KOLONI ZA DEHIDRATACIJA NA AZEOTROPNA SMESA ETANOL-VODA SO MATLAB Anastasovski Aleksandar1 , Liljana Markovska2, Vera Me{ko2 AD f-ka za kvasec i alkohol, Bitola, [email protected] Tehnolo{ko - metalur{ki fakultet, Univerzitet „Sv. Kiril i Metodij“, p. fah 580, MK-1001 Skopje, Republika Makedonija 1

2

Voved Denes, vo vremeto koga energijata stanuva se poskapocena, se baraat novi na~ini za nejzino dobivawe. Za taa cel, zemjite koi nemaat svoi prirodni izvori na goriva i zavisat od nivniot uvoz ili pak gi imaat vo pomala koli~ina, ja razvivaat tehnologijata na dobivawe i koristewe na biogorivata. Osnovna komponenta koja se dodava vo raznite benzinski goriva za dobivawe na biogoriva e apsolutniot alkohol [1-3 ]. Kako sirovina za dobivaweto na apsolutniot alkohol za biogorivata e rafiniraniot (96%vol.) alkohol ili tehni~kiot alkohol (so primesi na drugi komponenti kako metanol, propanol, butanol, aldehidi i sl) [1,3 ]. Atsorpcijata na vodata vrz zeoliti mo`e da se koristi kako na~in za dobivawe na apsoluten alkohol. Vo vakvi slu~ai se koristi metodata na PSA ( Pressure Swing Atsorption) [4-6 ]. Celta na ovoj trud e da se izvr{i sporedba na rezultatite dobieni so simulacija na atsorpciona kolona so onie od realen proces [7]. Za ovaa namena se koristat dva teoretski modela BDST [8,9 ] i model baziran na reologijata na fluidot [6 ].

Eksperimentalen del Vo procesot na dehidratacija na azeotropnata smesa etanol-voda najprvo taa se zagreva i komprimira do prethodno definiranite rabotni uslovi. Vo taa sostojba fluidot vleguva vo atsorpcionata kolona kade se vr{i atsorpcija vrz atsorbent zeolit 3A so golemina na porite od 0.3 nm. Po fazata na atsorpcija sledi fazata na regeneracija na atsorbentot. So cel procesot da se odviva kontinuirano, sekoga{ se postavuvaat parovi na atsorpcioni koloni. Za vremeto koga se odviva atsorpcija vo ednata kolona, naizmeni~no se vr{i regeneracija na drugata atsorpciona kolona. PSA (Pressure Swing Atsorption) procesot, fazite na atsorpcija i regeneracija se odvivaat pri razli~ni pritisoci (nad- i podpritisok). Za opredeluvawe na kolonata kade se vr{i atsorpcija na vodata postojat pove}e modeli ~ija slo`enost zavisi od to~nosta na presmetkite koi se baraat. BDST[8,9} modelot i modelot baziran na reologijata na fluidot [6] se dva modeli za brza procenka na dimenziite na atsorpcionata kolona. Model 1- BDST BDST (Bed Deph-Service Time) modelot ja dava vrskata me|u visinata na slojot i vremeto da nastane probojot. Spored Hatchis [ 8, 9], zavisnosta na vremeto na rabota od visinata na slojot e linearna (rav. 1). N0 tb = Z− ευC0

C  ln  0 − 1  Cb  kC0

(1)

Kriti~nata visina na slojot (Z) e teoretska visina na atsorbentot dovolna da se dostigne izleznata koncentracija Cb pri t0. Pri t0=0, Z0 se dobiva ravenkata 2:  C0 r

ε ⋅υ ⋅ ln  Z0 =

 Cbr Kar ⋅ N 0

 − 1 

(2)

Ohrid 2004

1

XVIII Kongres na hemi~arite i tehnolozite na Makedonija

CHE–5 So opredeluvaweto na visinata na slojot atsorbens, se opredeluvaat dimenziite na atsorpcionata kolona i koli~inata na atsorbent (rav. 3) koj e potreben pri toa. Dobienata koli~ina se odnesuva za edinica atsorpciona kolona. M ads =

l ⋅ d 2 ⋅ π ⋅ ρ ads 4

(3)

Pri regeneracija na adsorbentot, izleznata struja }e gi sodr`i vkupno koli~inite na etanol i voda presmetani spored ravenkata 4, a pak padot na pritisokot se presmetuva spored ravenkata na Ergun ( rav. 5). M et = Mw =

l ⋅ d 2 ⋅ π ⋅ ε ⋅ ρ r ⋅ X et .m. p 4 l ⋅ d 2 ⋅ π ⋅ ε ⋅ ρ r ⋅ X w.m. p 4

+ ( C0 p − Cbp ) ⋅

(4)

t ⋅ qp 60

(1 − ε ) ⋅1000  150   υ  ∆P =  + 1.75  ⋅ l ⋅   ⋅ ρr ⋅ dc ⋅ ε 3  Re   3600  2

(5)

Model 2 Modelot za presmetka na atsorpcionata kolona vo odnos na re`imot na dvi`ewe na fluidot se bazira na optimumot na Rejnoldsoviot broj. Toj treba da se dvi`i vo granicite do maksimum 40 [6]. Od dadenata sredna brzina i Rejnoldsoviot broj se opredeluvaat dimenziite na atsorpcionata kolona, koli~ina adsorbent i site ostanati vrednosti kako vo modelot 1. Vo modelot 2, volumenskiot protok i koncentraciite vo edinica volumen potrebno e da se koregiraat poradi toa {to se menuvaat so promenata na rabotnite uslovi, a od tie vrednosti direktno zavisat krajnite rezultati. Dijametarot na osnovata na kolonata i vremeto na atsorpcija se opredeluva spored ravenkite 6 do 10. υ=

Re⋅ µ r ρr ⋅ dc

Acs = d=

qp ⋅ ρ p

ρ r ⋅υ 4 ⋅ Acs

(6-10)

π

Z = K ⋅d ε ⋅ Vads ⋅℘⋅ Pl t= Qmol . p ⋅ R ⋅ T ⋅ β a

Vrz osnova na ravenkite od 1 do 6 napraveni se programi vo Matlab. Na tabelata 1 dadeni se karakteristikite na atsorbentot i fluidot koi se koristeni vo dvata modela za presmetka na dimenziite na kolonata. Tabela 1. Karakteristiki na fluidot i zeolitot zaedni~ki za dvata modeli KARAKTERISTIKA VREDNOST KARAKTERISTIKA Gustina na kristal Rejnoldsov broj za model 2 2600 kg/m3 Gustina na peleta Selektivnost na atsorbentot vo 1210 kg/m3 odnos na vodata (model 2) Nasipna gustina Atsorpcionen kapacitet na slojot 780 kg/m3 (model 1) Dijametar na peleta Koeficient na prenos na masa 3 mm (model 1) Protok na fluidot so Dijametar na dnoto na kolonata za 700 l/h model 1 sostav 96% vol etanol i 4%vol voda Temperature (rabotna) 473 K Vreme na ciklus za model 1 Raboten pritisok Viskozitet na fluidot pri rabotni 250 KPa uslovi

vREDNOST 28 0.04 15.6 kg voda/ m3 0.006 m3 voda/kg ats. h 0.738 m 8 min 1.25 10-5 Pa.s

Ohrid 2004

2

XVIII Kongres na hemi~arite i tehnolozite na Makedonija

CHE–5 Rezultati i diskusija

Vreme [min]

Tabela 2. Dobieni rezultati so re{avawe na modelite i vrednosti vo realniot sisistem Parametar Model 1 Model 2 Realen sistem Visina na kolona 7.376 m 2.18 m 6.8 m Kriti~na visina 7.18 m Dijametar na kolonata 0.738 m 1.303 m 0.738 m Koli~ina atsorbens 2461 kg 2268 kg 2265 kg Vreme na atsorpcija 8 min 7.51 min okolu 8 min Izlezen protok zvod 675.5 l/h 675.4 l/h 675 l/h Sostav na struja pri 33.08%vol. etanol so 40.6 %vol. etanol so regeneracija 66.92%vol. voda 59.4%vol. voda Rezultatite koi se dobivaat od modelot Zavisnost na vremeto na adsorpcija od visinata na adsorpcionata kolona koj ja koristi BDST teorijata se bliski do 60 realnite. Model 2 dava otstapuvawa vo dimenziite na kolonata. Otstapuvawata se 50 rezultat na toa {to dimenziite se odreduvaat 40 spored re`imot na dvi`ewe na fluidot pri optimalni uslovi. Vo dadeniot slu~aj e zemeno 30 volumenot na atsorpcionata kolona da bide pribli`no ist. Modelot 1 se koristi za brza 20 presmetka i e pomalku to~en, no to~nosta na dvata modeli najmnogu zavisi od 10 koeficientite koi gi opredeluvaat realnite karakteristiki na adsorbentot. Tie se 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 dobivaat eksperimentalno, pri izgotvuvawe na Visina na sloj [m] izotermi na procesite na adsorpcija za Grafik 1. Promena na visinata na dadeniot tip na zeolit. Tie mo`at da se dobijat atsorpcionen sloj vo zavisnost od vremeto na i od proizvoditelot na adsorbensot atsorpcija za dadeniot slu~aj po modelot koj ja zeolitite. Za sporedba na dvata modeli so koristi BDST teorijata realniot, dadeni se presmetani vrednosti i realni (tab.2). So prviot model na presmetka mo`e grafi~ki da se prika`e zavisnosta na vremeto na atsorpcija od visinata na slojot adsorbens za daden slu~aj. Za prika`aniot slu~aj daden e grafikot 1, kade nulata na pravata pretstavuva minimalna potrebna visina na slojot za proboj na fluidot niz nego za vreme t=0. Sekoe zgolemuvawe na slojot (zgolemuvawe na visinata na kolonata) za daden slu~aj, proporcionalno go zgolemuva i vremeto na atsorpcija t.e. se adsorbira pogolema koli~ina voda. Mora da se naglasi deka pri presmetkata na sostavot na strujata od regeneracija, zanemarena e kontrakcijata na volumenot {to se dobiva pri razli~en soodnos na volumeni sodr`ani etanol-voda.

Referenci 1. Ladisch, Michael R., Voloch Marco, Hong Yuan, Blenkowski Paul & Tsao, George T., “Cornmeal Adsorber for Dehydrating Ethanol Vapors” I&EC Process design & development, 1984, 23, 437 2. Manoj Panwar, M.E., “Motor fuel grade ethanol production” , Membrane engeneering (P) Ltd. 3. Mathewson, S.W., ”The manual for the home and farm production of alcohol fuel”, Ten Speed Press, J.A. Diaz Publications, 1980 4. Carmo, M.J. & Gubulin J.C., “Ethanol-Water atsorption on commercial 3A zeolites: kinetic and thermodynamic data”, Braz.J.Chem.Eng.vol.14 no.3 Sao Paulo Sept. 1997 5. Carmo, M.J. & Gubulin, J.C., “Separation of an ethanol-water mixture in the P.S.A. atsorption process”, Latin American Applied Research , 31:353-357, 2001 6. Knaebel , Kent S. “A “How To” Guide for Adsorber Design”, Atsorption Research, Inc. Dublin, Ohio 43016 7. UNIDO, “Atsorption – How to start manufacturing industries”, May 1993 8. Cooney, David O., “Atsorption design of wastewater treatment”, CRC Press LLC, 1999 9. Gordon McKay, Ph.D.,D.Sc. “Use of Adsorbents for the Removal of Pollutants from Wastewaters”, CRC Press, 1996

Ohrid 2004

3