El diseño de lecho adsorbente de tamiz molecular para deshidratación de etanol

Para gases y líquidos, un tamiz molecular es un excelente absorbente. La activación de tamices moleculares con un diseño distintivo ayuda a numerosos sistemas a eliminar de manera efectiva los contaminantes gaseosos o líquidos no deseados. También puede separar gases o líquidos en grupos de tamaño molecular. En la destilación de etanol por encima del umbral azeotrópico de 95.6 por ciento en volumen, el tamiz molecular juega un papel importante. Con el uso de tamices moleculares sinteticos, el procedimiento de deshidratación de etanol ahora se puede realizar con tecnología mejorada más allá de este límite azeotrópico.

Vamos a trabajar a través del análisis detallado de los diseños del lecho adsorbente de tamiz molecular para la deshidratación de etanol. ¡Hagámoslo!

El uso de lecho de tamiz molecular en la deshidratación de etanol

¿Qué es un lecho de tamiz molecular?

El Sustancias de zeolita artificial los orificios de diseño y tamaño exactos y homogéneos se conocen como tamices moleculares. Esto les permite adsorber gases y líquidos según el tamaño de la molécula y las preferencias de permeabilidad. Las zeolitas son sólidos cristalinos altamente permeables que se encuentran en la naturaleza y pertenecen a la familia química de los aluminosilicatos.

3A, 4A, 5A y 13X son las cuatro clasificaciones principales de tamices moleculares. La dimensión del poro del tamiz molecular está determinada por el tipo, que está determinado por la versión sintética de la molécula. Un tamiz molecular opera solubilizando moléculas de gas o líquido más pequeñas que el diámetro funcional de sus poros y rechazando moléculas más grandes que los agujeros.

¿Cuál es la función del tamiz molecular en la deshidratación de etanol?

La destilación de etanol convencional solo puede alcanzar una pureza de alrededor del 96 por ciento de etanol, siendo el 4 por ciento residual agua, debido al azeótropo generado cuando se combina con agua. Para que se considere calidad de combustible, el etanol debe estar deshidratado al menos en un 99.9 %. Se utiliza un tamiz molecular 3A, construido específicamente con aberturas de 3 Angstrom, para adsorber las moléculas de agua, mientras que las moléculas más grandes de etanol son rechazadas para alcanzar este grado de pureza. Este procedimiento de manera eficiente deshidrata el etanol al nivel de pureza necesario para que pueda llamarse grado de combustible porque no hay competencia para la sorción.

Durante los procedimiento de producción, el diámetro de los poros en ambas partículas de tamices moleculares se controla cuidadosamente. Para controlar el tamaño de la apertura del poro, se pueden intercambiar iones de sodio, calcio y potasio dentro de las partículas. Esto permite que las moléculas de gas y líquido se adsorban preferentemente. Considere un garaje de estacionamiento: su vehículo mide 7 pies de alto, pero el techo del garaje mide solo 6'8 pulgadas de alto. No podrá llevar su automóvil al garaje, sin importar cuánto lo intente. La adsorción de partículas en las aberturas de un tamiz molecular funciona según el mismo principio.

Tipos comunes de tamices moleculares utilizados para la deshidratación de etanol

En una variedad de usos comerciales y alimentarios, el procedimiento de deshidratación por tamiz molecular requiere un alto grado de pureza. El tipo de tamiz molecular más efectivo para secar etanol es el Tipo 3A. El vapor de etanol hidratado se dirige a través del lecho de tamiz molecular durante el procedimiento de deshidratación de etanol. El agua es absorbida por los poros del diseño adsorbente a medida que los vapores viajan a través del lecho del tamiz en el paso inicial. El procedimiento de adsorción continúa hasta que se logra la probable adsorción de agua de los vapores o se satura el tamiz molecular.

El agua se transfiere del vapor de etanol húmedo al tamiz molecular activado a través de un área o región donde el contenido de humedad se reduce desde la entrada hasta la salida. Esta zona maestra de transición cuenta con un lecho activo para el tránsito de deshidratación y otro para regeneración. Empleando potentes puertas y automatización., se maneja y gestiona el movimiento de una cama a la siguiente. El etanol puro se puede aplicar como combustible en automóviles y otros usos una vez que se ha deshidratado mediante tamices moleculares.

¿Cuánto tamiz molecular debe usar? 

La capacidad de secado de los tamices moleculares es de alrededor del 20 % al 25 % de su propia masa. Para el procedimiento de deshidratación, vierta tamices moleculares de 3 a 4 veces la cantidad anticipada de solvente orgánico y agítelos ocasionalmente durante aproximadamente 24 horas. 

El diseño más efectivo de lecho de tamiz molecular para deshidratación de etanol

El diseño y la función de un mecanismo de tamiz molecular están influenciados por una serie de factores. La capacidad de adsorción de un contaminante está determinada por su temperatura funcional y presión parcial, así como por el tipo de tamiz molecular (3A, 4A, 5A, 13X). Las limitaciones de disminución de la velocidad de flujo y la presión, en combinación con el volumen de adsorción, son fundamentales para determinar el mejor patrón de flujo, la cinética de transferencia de peso y, por ende, el diseño del contenedor.

El tamaño de los contenedores también está influenciado por la dimensión de los poros del tamiz molecular, así como por la disposición del lecho (dependiendo del espesor del adsorbente y compuesto por gránulos gigantes, gránulos pequeños o un lecho dividido). La disminución de la presión y la dispersión del flujo, así como las necesidades de la actividad de regeneración, estarán influenciadas por la relación diámetro-altura elegida.

Hay dos posibilidades de diseño para el componente de deshidratación: diseños integrados o independientes, basados ​​en los parámetros de la materia prima de etanol hidratado y la disponibilidad de una instalación de destilación de alcohol.

1. Diseño integrado

Las máquinas de deshidratación de alimentación vaporosas integradas están conectadas a un sistema de destilación y aceptan vapor de etanol hidratado directamente desde la torre de rectificación. El flujo de regeneración, también conocido como corriente de purga, se reintroduce en la destilación para la recuperación de etanol.

Cuando se contrasta con las unidades desacopladas, las más significativas beneficio del sistema integrado es una reducción significativa en el uso de energía. La innovadora integración de calor eficiente en energía de Vogelbusch de secado con sistemas de destilación/rectificación/evaporación reduce sustancialmente los gastos operativos.

Se requiere la presión mínima de 0.5 barg para la alimentación.

2. Diseño independiente

El líquido de etanol hidratado de las reservas se seca utilizando una alimentación líquida independiente equipo de secado. En una pequeña columna de reciclaje, el etanol hidratado se evapora. El canal de regeneración, también conocido como corriente de purga, se dirige a la cámara de reciclaje para la extracción de etanol.

Un diseño apropiado de recuperación de calor, teniendo en cuenta los parámetros de alimentación y utilidad, reduce el consumo de energía de la cámara de secado de etanol.

El principio del procedimiento

La técnica de adsorción utilizada en la deshidratación por tamiz molecular utiliza zeolita sintética, una sustancia quebradiza y de alta porosidad. El método se basa en el hecho de que la atracción de la zeolita por el agua cambia con la presión. El empaque de agua de la zeolita está determinado por la presión parcial del agua en la entrada, que puede cambiarse cambiando la fuerza.

El procedimiento de adsorción por cambio de presión (PSA)

No se produce condensación porque el lecho del tamiz molecular se inyecta con vapor sobrecalentado. El vapor de etanol fluye a través del lecho mientras que el vapor se absorbe en las aberturas de la zeolita.

Cuando el lecho del tamiz molecular se empapa de agua y se aproxima una brecha, se debe reactivar: se elimina el agua de la superficie de la zeolita al disminuir la presión ejercida sobre ella.

A adsorción por oscilación de presión Se utiliza una configuración con dos lechos de tamiz molecular para lograr una producción constante. Un lecho está en proceso de deshidratación, mientras que el otro se está regenerando al vacío. La presión del lecho se reduce durante la activación y el agua desorbida se elimina del lecho junto con los vapores de salida del otro lecho de secado. Este canal de purga o regeneración luego se elimina de la licuefacción y se bombea a la destilería para la extracción de etanol.

Todo el procedimiento está automatizado.

Cómo hacer que las unidades de deshidratación funcionen mejor

Mejora del procedimiento de tamiz molecular

• Principio uno de optimización de adsorción: temperatura y presión ideales

El punto inevitable, basado en dos reglas básicas principales de adsorción, es que la unidad debe operarse a la máxima presión y la mínima temperatura posible. Al seleccionar una temperatura para la función, tenga en cuenta que se trata de un procedimiento de etapa de vapor, lo que significa que el canal de alimentación no puede cambiar de etapa en ningún momento. Como resultado, la temperatura más baja que se puede usar está justo por encima de la coyuntura de un cambio de etapa. La presión máxima que puede soportar el sistema así como la cantidad de sobrecalentamiento accesible limitan el mecanismo.

La presión máxima está determinada por las clasificaciones del contenedor, la tubería y la compuerta. El punto de ebullición de la solución de etanol/agua determina la temperatura mínima. La mayoría de los diseños se basan en el azeótropo agua/etanol, que contiene alrededor del 95 % de etanol. En realidad, la mayoría de las plantas operan por debajo del azeótropo, con niveles de etanol tan bajos como 90%. Debe determinarse el verdadero punto de ebullición de cualquier combinación. La temperatura del vapor de entrada debe establecerse en 50 °F o 10 °C de sobrecalentamiento para garantizar que la sustancia permanezca en la etapa de vapor.

Los parámetros perfectos para la máxima adsorción se pueden identificar mediante la evaluación de estos factores.

Calcule la configuración máxima para la regeneración utilizando el mismo enfoque de isoterma. Debe lograr el mayor vacío posible en el recipiente a una temperatura fija. La capacidad de trabajo se define como la distinción en capacidad a una temperatura fija entre la presión más alta factible posible y la presión más baja concebiblemente alcanzable.

• Principio de optimización de adsorción dos: capacidad de trabajo

Una hoja de especificaciones debe venir con cada tamiz molecular y debe indicar la capacidad de agua estática. Debido a que todas las perlas de tamiz 3A unidas tienen una capacidad estática de 18 a 22 por ciento de agua en masa, esto tiene una relación mínima con la capacidad de trabajo real.

El volumen fijo del tamiz molecular es útil como indicador general de su pureza, pero la capacidad de funcionamiento es lo más importante. necesario para el rendimiento. La diferencia en el volumen de agua del tamiz molecular a una temperatura fija entre las presiones operativas gemelas, sorción y activación se describe como capacidad de trabajo.

La zona de transferencia de masa es la región donde el agua se adsorbe o eluye conscientemente del tamiz molecular durante una fase de adsorción o regeneración de los bucles. Hipotéticamente, la zona de intercambio de masa tiene la forma de un "flujo de pistón", una oblea esférica que viaja uniformemente a lo largo del diámetro del lecho. En realidad, tanto la dispersión de vapor como la fricción en las paredes del recipiente forman la región de transferencia de masa. Para lograr el uso completo de la salida del tamiz molecular, la dispersión adecuada es esencial para la dispersión adecuada del vapor.

Factores que influyen en la capacidad de trabajo

1. Bajo la constitución y presión especificadas, la temperatura debe asegurar constantemente el mantenimiento de la etapa de vapor. Dado que el líquido crea un obstáculo en el exterior de la perla, la transferencia de masa del líquido a la unión del cristal se ve obstaculizada en la circulación de dos fases. La tensión superficial del líquido demuestra que es difícil eliminar el agua líquida a través de la revaporización después de que se haya compactado hasta la etapa líquida.
2. Dispersión de vapor en la toma. Simetría y velocidad de la zona de transferencia de masa.
3. Asegure la máxima disparidad entre la presión del adsorbente y la succión de regeneración a una temperatura fija.
4. El tamaño apropiado de tamiz molecular 3A.
5. Solicite certificados de evaluación de muestra además de las hojas de especificaciones. Evaluar productos de tamiz molecular de diferentes productores; no todos están hechos de la misma manera y, por lo tanto, no funcionan de la misma manera. Verifique atributos como la fuerza de aplastamiento, la capacidad de desgaste, las dimensiones de las partículas que están distribuyendo y el conocimiento técnico.

Qué más considerar

El procedimiento corporativo de producción de etanol se basa en gran medida en tamices moleculares. Permiten que el etanol se seque desde un 95 % de pureza hasta aproximadamente un 99.9 % de pureza, lo que se requiere para su uso como aditivo de combustible. El tamiz molecular en las plantas de deshidratación de etanol, como todas las demás operaciones en una fábrica de etanol, requiere una atención especial. mantenimiento preventivo, el cuidado durante el procedimiento de trabajo y el conocimiento de lo que puede causar un daño prolongado a las cuentas y al contenedor oa la lámina son esenciales. Para garantizar una vida útil larga y sostenible de hasta diez años, se requiere un control y un mantenimiento proactivos de las perlas de tamiz. 

Saber cómo se deshidratan las microesferas de tamiz molecular y seguir algunas pautas simples ayudará a que duren más. Con eso en mente, observe lo siguiente:

1. Evite mojar la sábana/cama 

Al ingresar al contenedor y durante el funcionamiento, se debe tener cuidado para garantizar que la corriente del procedimiento llegue y permanezca en la etapa de vapor. Si el vapor se condensa de nuevo a líquido, puede tener un impacto significativo en el dinámica de transferencia de masa de agua dentro y fuera del recipiente, lo que resulta en una disminución de la capacidad de trabajo y la destrucción potencial de las perlas. Debido a las obvias cualidades cohesivas del agua, cuando una corriente de proceso en etapa líquida llega a un lecho de deshidratación de etanol, el agua puede crear una capa sobre cada perla, superponiéndola efectivamente en agua licuada. La adsorción de los contaminantes de la etapa de vapor (agua) de la corriente de producto de etanol puro previsto se ralentiza o evita por completo mediante perlas cubiertas de agua líquida.

Es necesario lograr y conservar una corriente de alimentación a máxima presión con 50 °F de sobrecalentamiento (50 grados Fahrenheit por encima de la temperatura de condensación) para evitar la aparición de moléculas en estado líquido durante cualquier etapa del proceso de deshidratación. La temperatura de sobrecalentamiento ideal es de 50 ° Fahrenheit, que es lo suficientemente alta para evitar que el vapor vuelva a la etapa líquida mientras se mantiene lo suficientemente baja como para no disminuir considerablemente la capacidad operativa de las perlas del tamiz dentro del recipiente. La capacidad de trabajo es proporcional a la temperatura operativa; las perlas a altas temperaturas tienen una menor capacidad de operación, por lo tanto, demasiado calor durante la operación también es indeseable. También es fundamental contar con contenedores y tuberías debidamente aislados para evitar zonas frías o variaciones de temperatura incontroladas en el flujo de alimentación, especialmente durante los meses más fríos.

2. Evite exceder la velocidad crítica

Para proteger las unidades de deshidratación y los tamices internos, se debe evitar la velocidad crítica. Cada pieza de maquinaria en un proceso tiene una presión máxima que puede soportar sin causar daño. Cuando la tasa de vapor de una planta es excesivamente alta, la velocidad del vapor puede superar los umbrales críticos de velocidad, lo que da como resultado un sonido que suena como un grito o un silbido agudo. Cuando se supera la velocidad crítica, las perlas pueden hacerse añicos y romperse, lo que genera polvo adicional, la mayor necesidad de completar las unidades periféricas y poner en peligro la capacidad de trabajo general, y finalmente puede requerir un cambio completo para restablecer la productividad.

3. La cama no debe rebotar

Para evitar la expansión de Levi, se debe mantener estrictamente la regulación adecuada de la velocidad dentro del lecho para garantizar que no se sobrepase la velocidad de fluidización, definida por cada sistema individual. El diámetro de la gota, el caudal, la densidad del vapor, la presión del recipiente y la temperatura de la corriente de entrada afectan la velocidad de fluidización. Cuando las perlas se elevan y cuelgan en el aire sobre una espuma de vapor, un procedimiento conocido como fluidización, se produce la expansión de Levi. Cuando los gránulos se fluidifican, pueden rozarse entre sí, causando un desgaste significativo, polvo y roturas.

Como resultado, las perlas rotas pueden hacer que la región de transferencia de peso fluya a través del lecho, lo que da como resultado un avance temprano e irregular, una espiral de mala retroalimentación y una destrucción recurrente. La fluidización inmediata, o el rebote real de las perlas del tamiz dentro del contenedor, puede ser inducida por cambios rápidos en la presión provocados por válvulas atascadas o una presurización inadecuada del contenedor. Esto se conoce con frecuencia como palomitas de maíz.

Si desea obtener más información sobre las capacidades de las diferentes unidades de deshidratación de etanol, hable con un experto en tamices, como los de nuestra empresa, Jalón. Lo ayudarán a descubrir cosas que inicialmente no sabía sobre el tamiz molecular y esencialmente lo salvarán de cometer errores. Revise las válvulas para que funcionen correctamente de manera regular, organice talleres de equipo, promueva la educación continua sobre los ajustes de presurización apropiados y enfatice las ventajas de los controles regulares para aumentar la eficacia y el éxito.

4. Evitar la contaminación

Los carbohidratos de bajo peso molecular, como la glucosa soluble en agua y los aceites de fusel, pueden alterar significativamente la capacidad operativa de las unidades de deshidratación de etanol. Los carbohidratos se derivan de la glucosa soluble en agua que permanece en el flujo del proceso, incluidos otros contaminantes, como combinaciones micelares que luego se transfieren a los lechos. En un procedimiento conocido como coquización, estos contaminantes se adhieren al exterior de las perlas del tamiz molecular, formando una capa de coque o carbohidratos quemados.

El coque aparece como manchas oscuras en la superficie de las perlas y eventualmente puede formar una capa completa alrededor de la superficie, volviendo las perlas negras. El recubrimiento de coque impide que los vapores accedan a los microcanales dentro de cada perla, evitando que los granos del tamiz molecular absorban el agua, lo que resulta en una reducción significativa en el rendimiento y la eficacia del trabajo.

La instalación de almohadillas antivaho o separadores coalescentes entre el vaporizador y la unidad de deshidratación es la forma más sencilla de reducir los hidrocarburos: glucosa, combustibles y otras impurezas. Estos filtros son básicamente láminas de lana de acero que atrapan los contaminantes y purifican la corriente de vapor a medida que pasa. Para limitar en gran medida la incidencia de coque y retener la capacidad operativa y la tasa de transferencia de peso dentro de los contenedores, los equipos de mantenimiento proactivo deben inspeccionar el drenaje en la base del filtro y repararlo según sea necesario después de la instalación. 

5. Esté atento al nivel de pH

Un tamiz molecular de tres angstrom (tamiz molecular 3A) se desarrolla especialmente para deshidratar etanol y tiene orificios de poros de cristal que miden aproximadamente tres angstroms de diámetro. Teniendo en cuenta que las moléculas de agua tienen un diámetro de aproximadamente 2.8 angstroms y las moléculas de etanol tienen un diámetro de aproximadamente 3.6 angstroms, este tamiz es adecuado para la síntesis de etanol. Las moléculas de agua pueden pasar a través de los cristales 3A y quedar atrapadas, pero las moléculas de etanol son demasiado grandes para adsorberse y rebotar.

Cuando las perlas de tamiz molecular se someten a un pH alto, se produce un intercambio de iones que convierte los cristales de tamiz 3A en cristales de tamiz 4A o más grandes, lo que permite que las moléculas de etanol se adsorban junto al agua y se reduzca la capacidad.

Las perlas del tamiz se desintegrarán y aglomerarán si se someten a una corriente de alimentación con un pH demasiado bajo. Para evitar la transferencia de iones o la fusión de perlas, una corriente de alimentación óptima debe tener un pH de 4.5 a 9.0. Los técnicos deben prestar atención adicional durante el mantenimiento preventivo para garantizar que los productos químicos de limpieza en el lugar, como el ácido sulfúrico o la soda cáustica (hidróxido de sodio), se enjuaguen por completo y no se les permita pasar a través de los recipientes de tamiz.

Lo más importante es...

El tamiz molecular se encuentra en el centro de la mayoría de los procedimientos de fabricación y juega un papel vital en la mejora de la pureza de la mayoría de los productos de fabricación, incluido el etanol, como se ve en esta publicación. Si bien la eficacia del tamiz molecular utilizado es importante, también debe tener en cuenta la calidad. Hay muchos proveedores en el mercado, pero sólo Jalon asegura que obtienes calidad por lo que pagas. Contáctenos y estaremos más que felices de suministrar la más alta calidad del tamiz molecular. Somos capaces de cumplir con las demandas a corto y largo plazo, por lo que no tiene que preocuparse por el tiempo. Y lo que es más importante, enviamos nuestros productos a todo el mundo.