La conception du lit adsorbant à tamis moléculaire pour la déshydratation de l'éthanol

Pour les gaz et les liquides, un tamis moléculaire est un excellent absorbant. L'activation de tamis moléculaires avec une conception distincte aide de nombreux systèmes à éliminer efficacement les contaminants gazeux ou liquides indésirables. Il peut également séparer des gaz ou des liquides en groupes de taille moléculaire. Dans la distillation de l'éthanol au-dessus du seuil azéotropique de 95.6 % en volume, le tamis moléculaire joue un rôle important. Avec l'utilisation de tamis moléculaires synthétiques, la procédure de déshydratation de l'éthanol peut maintenant être conduite avec une technologie améliorée au-delà de cette limite azéotropique.

Nous allons travailler sur l'analyse détaillée des conceptions du lit d'adsorbant à tamis moléculaire pour la déshydratation de l'éthanol. Allons-y !

L'utilisation du lit de tamis moléculaire dans la déshydratation de l'éthanol

Qu'est-ce qu'un lit de tamis moléculaire ?

La Substances zéolitiques artificielles les trous de conception et de taille exactes et homogènes sont appelés tamis moléculaires. Cela leur permet d'adsorber des gaz et des liquides en fonction de la taille des molécules et des préférences de perméabilité. Les zéolithes sont des solides cristallins hautement perméables que l'on trouve dans la nature et qui appartiennent à la famille chimique des aluminosilicates.

3A, 4A, 5A et 13X sont les quatre principales classifications de tamis moléculaires. La dimension des pores du tamis moléculaire est déterminée par le type, qui est déterminé par la version synthétique de la molécule. Un tamis moléculaire fonctionne en solubilisant les molécules de gaz ou de liquide plus petites que le diamètre fonctionnel de ses pores et en rejetant les molécules plus grosses que les trous.

Quelle est la fonction du tamis moléculaire dans la déshydratation de l'éthanol ?

La distillation conventionnelle de l'éthanol ne peut atteindre qu'une pureté d'environ 96 % d'éthanol, les 4 % résiduels étant de l'eau, en raison de l'azéotrope généré lorsqu'il est combiné avec de l'eau. Pour être considéré comme un carburant de qualité, l'éthanol doit être déshydraté à au moins 99.9 %. Un tamis moléculaire 3A, construit spécifiquement avec des ouvertures de 3 Angströms, est utilisé pour adsorber les molécules d'eau, tandis que les plus grosses molécules d'éthanol sont rejetées, pour atteindre ce degré de pureté. Cette procédure efficace déshydrate l'éthanol au niveau de pureté nécessaire pour qu'il puisse être qualifié de carburant car il n'y a pas de rivalité pour la sorption.

Pendant procédure de production, le diamètre des pores dans les deux particules de tamis moléculaires est soigneusement contrôlé. Pour contrôler la taille de l'ouverture des pores, les ions sodium, calcium et potassium peuvent être échangés à l'intérieur des particules. Cela permet aux molécules de gaz et de liquide de s'adsorber préférentiellement. Considérez un garage de stationnement : votre véhicule mesure 7 pieds de haut, mais la toiture du garage ne mesure que 6 pieds 8 pouces. Vous ne pourrez pas faire entrer votre voiture dans le garage, peu importe vos efforts. L'adsorption de particules dans les ouvertures d'un tamis moléculaire fonctionne sur le même principe.

Types courants de tamis moléculaire utilisés pour la déshydratation de l'éthanol

Dans une variété d'utilisations commerciales et alimentaires, la procédure de déshydratation par tamis moléculaire nécessite un degré élevé de pureté. Le type de tamis moléculaire le plus efficace pour sécher l'éthanol est le type 3A. La vapeur d'éthanol hydratée est acheminée via le lit de tamis moléculaire pendant la procédure de déshydratation de l'éthanol. L'eau est absorbée par les pores de la conception de l'adsorbant lorsque les vapeurs traversent le lit de tamis lors de l'étape initiale. La procédure d'adsorption se poursuit jusqu'à ce que l'adsorption d'eau probable des vapeurs soit accomplie ou que le tamis moléculaire soit saturé.

L'eau est transférée de la vapeur d'éthanol humide au tamis moléculaire activé via une zone ou une région où la teneur en humidité est réduite de l'entrée à la sortie. Cette zone de transition maîtresse comporte un lit actif pour le transit de déshydratation et un autre pour la régénération. Utilisation de portails puissants et d'automatisation, le mouvement d'un lit à l'autre est traité et géré. L'éthanol pur peut être appliqué comme carburant dans l'automobile et d'autres utilisations une fois qu'il a été déshydraté à l'aide de tamis moléculaires.

Quelle quantité de tamis moléculaire devriez-vous utiliser 

La capacité de séchage des tamis moléculaires est d'environ 20% à 25% de leur propre masse. Pour la procédure de déshydratation, versez un tamis moléculaire égal à 3 à 4 fois la quantité prévue de solvant organique et agitez-le de temps en temps pendant environ 24 heures. 

La conception la plus efficace du lit de tamis moléculaire pour la déshydratation de l'éthanol

La conception et la fonction d'un mécanisme de tamis moléculaire sont influencées par un certain nombre de facteurs. La capacité d'adsorption d'un contaminant est déterminée par sa température fonctionnelle et sa pression partielle, ainsi que par le type de tamis moléculaire (3A, 4A, 5A, 13X). Les limitations de débit et de diminution de pression, en combinaison avec le volume d'adsorption, sont essentielles pour déterminer le meilleur modèle d'écoulement, la cinétique de transfert de poids et, par appendice, la conception du conteneur.

La taille des conteneurs est également influencée par la dimension des pores du tamis moléculaire, ainsi que par la disposition du lit (selon l'épaisseur de l'adsorbant et composé de granulés géants, de petits granulés ou d'un lit divisé). La diminution de la pression et la dispersion du débit, ainsi que les besoins en activité de régénération, seront influencés par le rapport diamètre/hauteur choisi.

Il y en a deux possibilités de conception pour le composant de déshydratation: conceptions intégrées ou autonomes, basées sur les paramètres de la charge d'éthanol hydraté et la disponibilité d'une installation de distillation d'alcool.

1. Conception intégrée

Les machines intégrées de déshydratation d'alimentation vaporeuse sont connectées à un système de distillation et acceptent la vapeur d'éthanol hydratée directement de la tour de rectification. Le flux de régénération, également appelé flux de purge, est réintroduit dans la distillation pour la récupération de l'éthanol.

Par opposition aux unités non couplées, les plus importantes avantage du système intégré est une réduction significative de la consommation d'énergie. L'intégration thermique innovante et économe en énergie de la siccité de Vogelbusch avec les systèmes de distillation/rectification/évaporation réduit considérablement les dépenses d'exploitation.

La pression minimale de 0.5 barg est requise pour l'alimentation.

2. Conception autonome

Le liquide d'éthanol hydraté provenant du stockage est séché à l'aide d'une alimentation liquide autonome équipement de séchage. Dans une minuscule colonne de recyclage, l'éthanol hydraté est évaporé. Le canal de régénération, également appelé flux de purge, est acheminé vers la chambre de recyclage pour l'extraction de l'éthanol.

Une conception appropriée de la récupération de chaleur, prenant en compte les paramètres de la matière première et de l'utilité, réduit la consommation d'énergie de la chambre de séchage de l'éthanol.

Le principe de la procédure

La technique d'adsorption utilisée dans la déshydratation sur tamis moléculaire utilise zéolite synthétique, une substance cassante à haute porosité. La méthode est basée sur le fait que l'attraction de la zéolite pour l'eau change avec la pression. Le garnissage en eau de la zéolite est déterminé par la pression partielle de l'eau dans l'entrée, qui peut être modifiée en modifiant la force.

La procédure d'adsorption modulée en pression (PSA)

Aucune condensation ne se produit car le lit de tamis moléculaire est injecté avec de la vapeur surchauffée. La vapeur d'éthanol s'écoule via le lit tandis que la vapeur est absorbée dans les ouvertures de la zéolite.

Lorsque le lit de tamis moléculaire est gorgé d'eau et qu'une brèche est proche, il faut le réactiver : l'eau est éliminée de la surface de la zéolithe en abaissant la pression exercée sur celle-ci.

A adsorption modulée en pression une configuration avec deux lits de tamis moléculaires est utilisée pour obtenir une production constante. Un lit est en train de se déshydrater, tandis que l'autre se régénère sous vide. La pression du lit est réduite tout au long de l'activation et l'eau désorbée est chassée du lit avec les vapeurs de sortie de l'autre lit de séchage. Ce canal de purge ou de régénération est ensuite déliqué et pompé jusqu'à la distillerie pour l'extraction de l'éthanol.

Toute la procédure est automatisée.

Comment améliorer le fonctionnement des unités de déshydratation

Amélioration de la procédure de tamis moléculaire

• Premier principe d'optimisation de l'adsorption : température et pression idéales

Le point inévitable, basé sur deux grandes règles de base de l'adsorption, est que l'unité doit fonctionner à la pression maximale et à la température la plus minimale possible. Lors de la sélection d'une température pour la fonction, gardez à l'esprit qu'il s'agit d'une procédure d'étape de vapeur, ce qui signifie que le canal d'alimentation ne peut changer d'étape à aucun moment. Par conséquent, la température la plus basse pouvant être utilisée est juste au-dessus de la moment d'un changement d'étape. La pression maximale que le système peut supporter ainsi que la quantité de surchauffe accessible limitent le mécanisme.

La pression maximale est déterminée par les valeurs nominales du conteneur, du tuyau et de la vanne. Le point d'ébullition de la solution éthanol/eau détermine la température minimale. La majorité des conceptions sont basées sur l'azéotrope eau/éthanol, qui contient environ 95 % d'éthanol. En réalité, la plupart des usines fonctionnent en dessous de l'azéotrope, avec des niveaux d'éthanol aussi bas que 90 %. Le véritable point d'ébullition de toute combinaison doit être déterminé. La température de vapeur d'entrée doit être réglée à 50 °F ou 10 °C de surchauffe pour garantir que la substance reste à l'état de vapeur.

Les paramètres parfaits pour une adsorption maximale peuvent être identifiés en évaluant ces facteurs.

Calculer les paramètres maximaux pour la régénération en utilisant la même approche isotherme. Vous devez atteindre le plus grand vide possible dans le récipient à une température fixe. La capacité de travail est définie comme la distinction de capacité à une température fixe entre la pression la plus élevée possible et la pression la plus basse qu'il est concevable d'atteindre.

• Deuxième principe d'optimisation de l'adsorption : capacité de travail

Une fiche technique doit accompagner chaque tamis moléculaire et doit indiquer la capacité statique en eau. Étant donné que toutes les billes de tamis 3A collées ont une capacité statique de 18 à 22 % d'eau en masse, cela a une incidence infime sur la capacité de travail réelle.

Le volume fixe du tamis moléculaire est utile comme indicateur général de sa pureté, mais la capacité de fonctionnement est la plus nécessaire aux performances. Le différentiel de volume d'eau du tamis moléculaire à une température fixe entre les pressions de fonctionnement jumelées, la sorption et l'activation est qualifié de capacité de travail.

La zone de transfert de masse est la région où l'eau est consciemment adsorbée ou éluée du tamis moléculaire tout au long d'une phase d'adsorption ou de régénération des boucles. Hypothétiquement, la zone d'échange de masse a la forme d'un "écoulement piston", une plaquette sphérique qui se déplace uniformément sur tout le diamètre du lit. En réalité, la dispersion de vapeur et le frottement sur les parois du récipient forment la région de transfert de masse. Pour obtenir une utilisation complète de la sortie du tamis moléculaire, une dispersion appropriée est essentielle pour une dispersion de vapeur appropriée.

Facteurs qui influencent la capacité de travail

1. Sous la constitution et la pression spécifiées, la température doit constamment assurer le maintien de l'étape de vapeur. Étant donné que le liquide crée un obstacle à l'extérieur de la perle, le transfert de masse du liquide dans la jonction cristalline est entravé dans la circulation à deux phases. La tension superficielle du liquide rend difficile l'élimination de l'eau liquide par re-vaporisation après son compactage au stade liquide.
2. Dispersion de vapeur à l'aspiration. Symétrie et vitesse de la zone de transfert de masse.
3. Assurer un écart maximal entre la pression d'adsorbant et l'aspiration de régénération à température fixe.
4. La taille appropriée du tamis moléculaire 3A.
5. Demandez des exemples de certificats d'évaluation en plus des fiches techniques. Évaluer les produits de tamis moléculaires de différents producteurs ; ils ne sont pas tous fabriqués de la même manière et ne fonctionnent donc pas de la même manière. Vérifiez les attributs tels que les forces d'écrasement, les capacités d'usure, les dimensions des particules qu'ils distribuent et les connaissances techniques.

Quoi d'autre à considérer

La procédure de production d'éthanol en entreprise repose fortement sur les tamis moléculaires. Ils permettent de sécher l'éthanol d'une pureté de 95 % à environ 99.9 % de pureté, ce qui est nécessaire pour une utilisation en tant qu'additif pour carburant. Le tamis moléculaire dans les usines de déshydratation d'éthanol, comme toutes les autres opérations dans une usine d'éthanol, nécessite une attention particulière. Entretien préventif, le soin pendant la procédure de travail et la connaissance de ce qui peut causer des dommages prolongés aux perles et au récipient ou à la feuille sont tous essentiels. Pour garantir une durée de vie longue et durable pouvant aller jusqu'à dix ans, une surveillance et une maintenance proactives des billes de tamis sont nécessaires. 

Savoir comment les billes de tamis moléculaire se déshydratent et suivre quelques directives simples les aideront à durer plus longtemps. Dans cet esprit, observez ce qui suit :

1. Évitez de mouiller le drap/lit 

Lors de l'écoulement dans le conteneur et pendant le fonctionnement, des précautions doivent être prises pour garantir que le flux de procédure arrive et reste à l'état de vapeur. Si la vapeur se condense en liquide, cela peut avoir un impact significatif sur la dynamique de transfert de masse d'eau dans et hors du récipient, ce qui entraîne une diminution de la capacité de travail et une destruction potentielle des perles. En raison des qualités de cohésion évidentes de l'eau, lorsqu'un flux de processus à l'étape liquide atteint un lit de déshydratation d'éthanol, l'eau peut créer une couche sur chaque perle, la superposant efficacement dans de l'eau liquéfiée. L'adsorption des contaminants en phase vapeur (eau) du flux de produit d'éthanol pur prévu est ralentie ou totalement empêchée par des billes recouvertes d'eau liquide.

Il est nécessaire d'accomplir et de conserver un flux d'alimentation à une pression maximale avec 50 ° F de surchauffe - 50 degrés Fahrenheit au-dessus de la température de condensation - pour éviter l'apparition de molécules au stade liquide à n'importe quelle étape de la procédure de déshydratation. La température de surchauffe idéale est de 50 ° Fahrenheit, ce qui est suffisamment élevé pour empêcher la vapeur de revenir au stade liquide tout en restant suffisamment bas pour ne pas diminuer considérablement la capacité de fonctionnement des billes de tamis à l'intérieur du récipient. La capacité de travail est proportionnelle à la température de fonctionnement ; les perles sous haute température ont une capacité de fonctionnement inférieure, donc trop de chaleur tout au long de l'opération est également indésirable. Il est également crucial d'avoir des conteneurs et des tuyaux correctement isolés pour éviter les zones froides ou les variations de température incontrôlées dans le flux d'alimentation, en particulier pendant les mois les plus froids.

2. Évitez de dépasser la vitesse critique

Pour protéger les unités de déshydratation et les perles de tamis à l'intérieur, la vitesse critique doit être évitée. Chaque pièce de machine dans un processus a une pression maximale qu'elle peut supporter sans causer de dommages. Lorsque le débit de vapeur d'une plante est excessivement élevé, la vitesse de vapeur peut dépasser les seuils de vitesse critiques, ce qui entraîne un son qui ressemble à un cri ou à une respiration sifflante aiguë. Lorsque la vitesse critique est dépassée, les perles peuvent se briser et se briser, ce qui entraîne une poussière supplémentaire, une exigence accrue de remplissage des unités périphériques et une mise en péril de la capacité de travail générale, et peut finalement nécessiter un changement complet pour rétablir la productivité.

3. Le lit ne doit pas rebondir

Pour empêcher l'expansion de Levi, une régulation de vitesse appropriée dans le lit doit être étroitement maintenue pour garantir que la vitesse de fluidisation n'est pas dépassée, telle que définie par chaque système individuel. Le diamètre de la perle, le débit, la densité de vapeur, la pression du récipient et la température du flux d'entrée affectent tous la vitesse de fluidisation. Lorsque les perles sont élevées et suspendues dans l'air sur une mousse de vapeur, une procédure connue sous le nom de fluidisation, l'expansion de Levi se produit. Lorsque les perles sont fluidisées, elles peuvent se broyer les unes contre les autres, provoquant une usure, un poussiérage et une rupture importants.

En conséquence, les perles brisées peuvent provoquer le flux de la région de transfert de poids à travers le lit, entraînant une percée irrégulière et précoce, une mauvaise spirale de rétroaction et une destruction récurrente. La fluidisation immédiate, ou le rebond réel des perles de tamis à l'intérieur du récipient, peut être induite par des changements rapides de pression déclenchés par des vannes bloquées ou une pressurisation inappropriée du récipient. Ceci est souvent connu sous le nom de popcorning.

Si vous souhaitez en savoir plus sur les capacités des différentes unités de déshydratation de l'éthanol, parlez à un expert en tamis, comme ceux de notre société, Jalon. Ils vous aideront à comprendre des choses que vous ne saviez pas au départ sur les tamis moléculaires et vous éviteront essentiellement de faire des erreurs. Vérifiez régulièrement le bon fonctionnement des vannes, organisez des ateliers d'équipe, encouragez la formation continue sur les paramètres de pressurisation appropriés et insistez sur les avantages des vérifications régulières pour accroître l'efficacité et le succès.

4. Contourner la pollution

Les glucides de faible poids moléculaire, tels que le glucose soluble dans l'eau et les huiles de fusel, peuvent modifier considérablement la capacité de fonctionnement des unités de déshydratation de l'éthanol. Les glucides sont dérivés du glucose soluble dans l'eau qui reste dans le flux de la procédure, y compris d'autres polluants, sous forme de combinaisons micellaires qui sont ensuite transférées dans les lits. Dans une procédure connue sous le nom de cokéfaction, ces polluants adhèrent à l'extérieur des billes de tamis moléculaire, formant une couche de coke ou de glucides brûlés.

Le coke apparaît sous forme de taches sombres à la surface des perles et peut éventuellement former une couche complète autour de la surface, rendant les perles noires. Le revêtement de coke empêche les vapeurs d'accéder aux micro-canaux à l'intérieur de chaque perle, empêchant l'eau d'être absorbée par les grains du tamis moléculaire, ce qui entraîne une réduction significative des performances et de l'efficacité de travail.

L'installation de tampons anti-buée ou de séparateurs coalescents entre le vaporisateur et l'unité de déshydratation est le moyen le plus simple de réduire les hydrocarbures - glucose, carburants et autres impuretés. Ces filtres sont essentiellement des feuilles de laine d'acier qui captent les polluants et purifient le flux de vapeur au fur et à mesure de son passage. Pour limiter considérablement l'incidence de coke et conserver la capacité de fonctionnement et le taux de transfert de poids à l'intérieur des conteneurs, des équipes de maintenance proactives doivent inspecter le drain à la base du filtre et le réparer au besoin après l'installation. 

5. Soyez attentif au niveau de pH

Un tamis moléculaire de trois angströms (tamis moléculaire 3A) est développé en particulier pour déshydrater l'éthanol et possède des trous de pores cristallins mesurant environ trois angströms de diamètre. Considérant que les molécules d'eau ont un diamètre d'environ 2.8 angströms et que les molécules d'éthanol ont un diamètre d'environ 3.6 angströms, ce tamis convient à la synthèse d'éthanol. Les molécules d'eau peuvent traverser les cristaux 3A et être piégées, mais les molécules d'éthanol sont trop grosses pour être adsorbées et rebondir.

Lorsque les billes de tamis moléculaire sont soumises à un pH élevé, un échange d'ions se produit, convertissant les cristaux de tamis 3A en cristaux de tamis 4A ou plus, permettant aux molécules d'éthanol d'être adsorbées à côté de l'eau et réduisant la capacité.

Les billes de tamis vont se désintégrer et s'agglomérer si elles sont soumises à un flux d'alimentation avec un pH trop bas. Pour éviter les transferts d'ions ou la fusion des billes, un flux d'alimentation optimal doit avoir un pH de 4.5 à 9.0. Les techniciens doivent accorder une attention supplémentaire lors de l'entretien préventif pour garantir que les produits chimiques nettoyés sur place comme l'acide sulfurique ou la soude caustique (hydroxyde de sodium) sont entièrement rincés et ne peuvent pas passer à travers les conteneurs de tamis.

Conclusion

Le tamis moléculaire est au centre de la plupart des procédures de fabrication et joue un rôle essentiel dans l'amélioration de la pureté de la plupart des produits de fabrication, y compris l'éthanol, comme on le voit dans cet article. Bien que l'efficacité du tamis moléculaire utilisé soit importante, vous devez également garder à l'esprit la qualité. Il existe de nombreux fournisseurs sur le marché, mais seulement Jalon garantit que vous obtenez la qualité pour ce que vous payez. Nous contacter et nous serons plus qu'heureux de fournir la plus haute qualité de tamis moléculaire. Nous sommes en mesure de répondre aux demandes à court et à long terme, vous n'avez donc pas à vous soucier du calendrier. Et plus important encore, nous expédions nos produits dans le monde entier.