Pour les gaz et les liquides, un tamis moléculaire est un excellent absorbeur. L'activation de tamis moléculaires de conception distincte permet à de nombreux systèmes d'éliminer efficacement les contaminants gazeux ou liquides indésirables. Elle permet également de séparer les gaz ou les liquides en groupes de taille moléculaire. Dans la distillation de l'éthanol au-delà du seuil azéotropique de 95,6 % du volume, le tamis moléculaire joue un rôle important. Avec l'utilisation de tamis moléculaires synthétiquesLa procédure de déshydratation de l'éthanol peut maintenant être menée avec une technologie améliorée au-delà de cette limite azéotropique.
Nous allons procéder à l'analyse détaillée de la conception du lit adsorbant à tamis moléculaire pour la déshydratation de l'éthanol. C'est parti !
Utilisation d'un lit de tamis moléculaire pour la déshydratation de l'éthanol
Qu'est-ce qu'un lit à tamis moléculaire ?
Le Substances zéolithiques artificielles Les trous de conception et de taille exactes et homogènes sont connus sous le nom de tamis moléculaires. Cela leur permet d'adsorber les gaz et les liquides en fonction de la taille des molécules et de leurs préférences en matière 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 des 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 grandes que les trous.
Quelle est la fonction du tamis moléculaire dans la déshydratation de l'éthanol ?
La distillation conventionnelle de l'éthanol ne permet d'atteindre qu'une pureté d'environ 96 % d'éthanol, les 4 % restants étant de l'eau, en raison de l'azéotrope généré lorsqu'il est combiné à 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 la taille de 3 angströms, est utilisé pour adsorber les molécules d'eau, tandis que les plus grosses molécules d'éthanol sont rejetées, afin d'atteindre ce degré de pureté. Pour atteindre ce degré de pureté, on utilise un tamis moléculaire 3A. procédure efficace déshydrate l'éthanol jusqu'au niveau de pureté nécessaire pour qu'il puisse être appelé "fuel grade", car il n'y a pas de rivalité pour la sorption.
Au cours de la procédure de productionLe diamètre des pores dans les deux particules de tamis moléculaire 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 de préférence. Prenons l'exemple d'un parking : votre véhicule mesure 2,5 mètres de haut, mais la toiture du garage ne mesure que 2,5 mètres. Vous ne pourrez pas faire entrer votre voiture dans le garage, quels que soient vos efforts. L'adsorption de particules dans les ouvertures d'un tamis moléculaire fonctionne selon le même principe.
Types courants de tamis moléculaires 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 le séchage de l'éthanol est le type 3A. La vapeur d'éthanol hydraté est acheminée via le lit de tamis moléculaire au cours de la procédure de déshydratation de l'éthanol. L'eau est absorbée par les pores de l'adsorbant lorsque les vapeurs traversent le lit de tamis au cours de l'étape initiale. La procédure d'adsorption se poursuit jusqu'à ce que l'adsorption probable de l'eau par les vapeurs soit terminée ou que le tamis moléculaire soit saturé.
L'eau est transférée de la vapeur d'éthanol humide au tamis moléculaire activé via une zone où la teneur en humidité est réduite de l'entrée à la sortie. Cette zone de transition principale comporte un lit actif pour le transit de la déshydratation et un autre pour la régénération. Utiliser des portes et des automatismes puissantsL'éthanol pur peut être utilisé comme carburant pour l'automobile et d'autres usages une fois qu'il a été déshydraté à l'aide de tamis moléculaires. L'éthanol pur peut être utilisé comme carburant pour l'automobile et d'autres usages après avoir été déshydraté à l'aide de tamis moléculaires.
Quelle quantité de tamis moléculaire faut-il utiliser ?
La capacité de séchage des tamis moléculaires est d'environ 20% à 25% de leur propre masse. Pour la procédure de déshydratation, versez des tamis moléculaires équivalant à 3 à 4 fois la quantité prévue de solvant organique, et agitez le tout de temps en temps pendant environ 24 heures.
Conception la plus efficace d'un lit de tamis moléculaire pour la déshydratation de l'éthanol
La conception et le fonctionnement d'un mécanisme de tamis moléculaire sont influencés 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 limites de débit et de diminution de la pression, en combinaison avec le volume d'adsorption, sont essentielles pour déterminer le meilleur schéma 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 (en fonction de 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 flux, ainsi que les besoins en activité de régénération, seront influencés par le rapport diamètre-hauteur choisi.
Il y a deux possibilités de conception de l'élément de déshydratationLes installations de distillation d'alcool peuvent être conçues de manière intégrée ou autonome, en fonction des paramètres de la matière première de l'éthanol hydraté et de la disponibilité d'une installation de distillation de l'alcool.
1. Conception intégrée
Les machines intégrées de déshydratation de l'alimentation en vapeur sont connectées à un système de distillation et acceptent la vapeur d'éthanol hydraté directement à partir 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 rapport aux unités découplées, la différence la plus significative est la suivante avantage du système intégré est une réduction significative de la consommation d'énergie. L'intégration thermique innovante et efficace de Vogelbusch de la dessiccation avec les systèmes de distillation/rectification/évaporation réduit considérablement les dépenses d'exploitation.
La pression minimale requise pour l'alimentation est de 0,5 bar.
2. Conception autonome
L'éthanol hydraté liquide 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, tenant compte des paramètres de la matière première et de l'utilité, permet de réduire la consommation d'énergie de la chambre de séchage de l'éthanol.
Le principe de la procédure
La technique d'adsorption utilisée pour la déshydratation par tamis moléculaire utilise les éléments suivants zéolithe synthétiqueLa zéolithe est une substance fragile et très poreuse. La méthode est basée sur le fait que l'attraction de la zéolithe pour l'eau change avec la pression. L'attraction de l'eau par la zéolithe est déterminée par la pression partielle de l'eau dans l'entrée, qui peut être modifiée en changeant la force.
La procédure d'adsorption par variation de pression (PSA)
Il n'y a pas de condensation car la vapeur surchauffée est injectée dans le lit de tamis moléculaire. La vapeur d'éthanol s'écoule à travers le lit tandis que la vapeur est absorbée dans les ouvertures de la zéolithe.
Lorsque le lit de tamis moléculaire est imbibé d'eau et qu'une brèche est proche, il doit être réactivé : l'eau est éliminée de la surface de la zéolithe en abaissant la pression exercée sur celle-ci.
A adsorption par variation de pression Une installation à deux lits de tamis moléculaire est utilisée pour obtenir une production constante. Un lit est en cours de déshydratation, tandis que l'autre est régénéré sous vide. La pression du lit est réduite tout au long de l'activation, et l'eau désorbée est évacuée du lit avec les vapeurs de sortie de l'autre lit de séchage. Ce canal de purge ou de régénération est ensuite déliquescent et pompé vers la distillerie pour l'extraction de l'éthanol.
L'ensemble de la procédure est automatisé.
Comment améliorer le fonctionnement des unités de déshydratation
Amélioration de la procédure de tamisage moléculaire
- Premier principe d'optimisation de l'adsorption : température et pression idéales
Le point inévitable, basé sur les deux principales règles de base de l'adsorption, est que l'unité doit fonctionner à la pression maximale et à la température minimale la plus élevée possible. Lors de la sélection d'une température pour la fonction, il faut garder 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 qui puisse être utilisée se situe juste au-dessus de la limite de pression. le 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 caractéristiques du récipient, 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 d'entrée de la vapeur doit être réglée à 50°F ou 10°C de surchauffe pour garantir que la substance reste à l'état de vapeur.
L'évaluation de ces facteurs permet de déterminer les paramètres parfaits pour une adsorption maximale.
Calculez les paramètres maximaux pour la régénération en utilisant la même approche isotherme. Vous devez obtenir 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.
- Optimisation de l'adsorption Deuxième principe : capacité de travail
Chaque tamis moléculaire doit être accompagné d'une fiche technique indiquant 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 par masse, cela n'a qu'une incidence minime sur la capacité de travail réelle.
Le volume fixe du tamis moléculaire est un indicateur général de sa pureté, mais c'est la capacité de fonctionnement qui est la plus importante. nécessaires à l'exécution. La différence de volume d'eau du tamis moléculaire à une température fixe entre les deux pressions de fonctionnement, la sorption et l'activation, est décrite comme la 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 "flux de bouchons", une galette sphérique qui se déplace uniformément sur tout le diamètre du lit. En réalité, la dispersion de la vapeur et le frottement sur les parois du conteneur forment la région de transfert de masse. Pour exploiter pleinement le rendement du tamis moléculaire, il est essentiel de disperser correctement les vapeurs.
Facteurs influençant la capacité de travail
- Dans les conditions de constitution et de pression spécifiées, la température doit constamment assurer le maintien du stade de la vapeur. Comme 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 diphasique. La tension superficielle du liquide rend difficile l'élimination de l'eau liquide par re-vaporisation après qu'elle se soit compactée au stade liquide.
- Dispersion de la vapeur à l'admission. Symétrie et vitesse de la zone de transfert de masse.
- Assurer une disparité maximale entre la pression de l'adsorbant et l'aspiration de la régénération à une température fixe.
- La taille appropriée du tamis moléculaire 3A.
- Demandez des échantillons de certificats d'évaluation en plus des fiches techniques. Évaluez les tamis moléculaires de différents producteurs ; ils ne sont pas tous fabriqués de la même manière et n'ont donc pas les mêmes performances. Vérifiez les caractéristiques telles que la résistance à l'écrasement, la résistance à l'usure, les dimensions des particules distribuées et les connaissances techniques.
Autres éléments à prendre en compte
La procédure de production d'éthanol par les entreprises repose en grande partie sur les tamis moléculaires. Ils permettent de sécher l'éthanol d'une pureté de 95% à une pureté d'environ 99,9%, ce qui est nécessaire pour l'utilisation en tant qu'additif pour les carburants. Le tamis moléculaire dans les usines de déshydratation de l'éthanol, comme toutes les autres opérations dans une usine d'éthanol, nécessite une attention particulière. Entretien préventifIl est donc essentiel de faire preuve de prudence lors de la procédure de travail et de savoir ce qui peut causer des dommages prolongés aux billes et au conteneur, ou à la feuille. Pour garantir une durée de vie longue et durable (jusqu'à dix ans), une surveillance et un entretien proactifs des billes de tamisage sont nécessaires.
Savoir comment les perles de tamis moléculaire se déshydratent et suivre quelques règles simples leur permettra de durer plus longtemps. Dans cette optique, observez les points suivants :
1. Éviter de mouiller le drap/lit
Lors de l'introduction dans le conteneur et pendant le fonctionnement, il convient de veiller à ce que le flux de procédure arrive et reste au stade de la vapeur. Si la vapeur se condense et redevient liquide, cela peut avoir un impact significatif sur la qualité de l'eau. dynamique du transfert de masse L'entrée et la sortie de l'eau dans le conteneur entraînent une diminution de la capacité de travail et une destruction potentielle des billes. En raison des qualités cohésives évidentes de l'eau, lorsqu'un flux de traitement liquide atteint un lit de déshydratation de l'éthanol, l'eau peut créer une couche sur chaque bille, la recouvrant effectivement d'eau liquéfiée. L'adsorption des contaminants au stade de la vapeur (eau) du flux de produit d'éthanol pur prévu est ralentie ou totalement empêchée par les billes recouvertes d'eau liquide.
Il est nécessaire d'obtenir et de conserver un flux d'alimentation à la pression maximale avec 50 °F de surchauffe - 50 degrés Fahrenheit au-dessus de la température de condensation - afin d'éviter l'apparition de molécules à l'état liquide à n'importe quel stade de la procédure de déshydratation. La température de surchauffe idéale est de 50 ° Fahrenheit, ce qui est suffisamment élevé pour empêcher la vapeur de retourner à l'état liquide tout en restant suffisamment bas pour ne pas diminuer considérablement la capacité de fonctionnement des perles de tamisage à l'intérieur du conteneur. La capacité de travail est proportionnelle à la température de fonctionnement ; les billes soumises à une forte chaleur ont une capacité de fonctionnement plus faible, et il n'est donc pas souhaitable qu'il y ait trop de chaleur pendant toute la durée de l'opération. Il est également essentiel d'isoler correctement les conteneurs et les tuyaux afin d'éviter les zones froides ou les variations de température incontrôlées dans le flux d'alimentation, en particulier pendant les mois les plus froids.
2. Éviter de dépasser la vitesse critique
Pour protéger les unités de déshydratation et les perles de tamisage qu'elles contiennent, la vitesse critique doit être évitée. Chaque machine d'un processus a une pression maximale qu'elle peut supporter sans causer de dommages. Lorsque le taux de vapeur d'une usine est excessivement élevé, la vitesse de la vapeur peut dépasser les seuils de vitesse critique, ce qui se traduit par un son qui ressemble à un cri ou à un sifflement aigu. Lorsque la vitesse critique est dépassée, les billes peuvent se briser et se rompre, ce qui entraîne un surcroît de poussière, la nécessité accrue de compléter les unités périphériques et la mise en péril de la capacité de travail générale, et peut finalement nécessiter un remplacement complet pour rétablir la productivité.
3. Il ne faut pas faire rebondir le lit
Pour éviter l'expansion de Levi, une régulation appropriée de la vitesse à l'intérieur du lit doit être étroitement maintenue pour garantir que la vitesse de fluidisation n'est pas dépassée, comme défini par chaque système individuel. Le diamètre des billes, le débit, la densité de la vapeur, la pression du récipient et la température du flux d'entrée ont tous une incidence sur la vitesse de fluidisation. Lorsque les billes sont surélevées 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 billes sont fluidifiées, elles peuvent se frotter les unes contre les autres, ce qui entraîne une usure importante, des poussières et des cassures.
En conséquence, les billes brisées peuvent provoquer un écoulement de la région de transfert de poids à travers le lit, ce qui entraîne une percée irrégulière et précoce, une mauvaise spirale de rétroaction et une destruction récurrente. La fluidisation immédiate, ou le rebondissement réel des billes de tamisage dans le conteneur, peut être induite par des changements rapides de pression déclenchés par des vannes bloquées ou une pressurisation inappropriée du conteneur. Ce phénomène est souvent appelé "popcorning".
Si vous souhaitez en savoir plus sur les capacités des différentes unités de déshydratation de l'éthanol, adressez-vous à un expert en tamis moléculaire, comme ceux de notre société, Jalon. Ils vous aideront à découvrir des choses que vous ne saviez pas au départ sur le tamis moléculaire et vous éviteront de commettre des erreurs. Vérifiez régulièrement le bon fonctionnement des vannes, organisez des ateliers d'équipe, encouragez la formation continue sur les réglages de pression appropriés et mettez l'accent sur les avantages des contrôles réguliers afin d'accroître l'efficacité et la réussite de l'entreprise.
4. Contourner la pollution
Les hydrates de carbone de faible poids moléculaire, tels que le glucose soluble dans l'eau et les huiles de fusel, peuvent altérer de manière significative la capacité de fonctionnement des unités de déshydratation de l'éthanol. Les hydrates de carbone 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 d'hydrates de carbone brûlés.
Le coke apparaît sous forme de taches sombres à la surface des billes et peut finir par former une couche complète autour de la surface, rendant les billes noires. La couche de coke empêche les vapeurs d'accéder aux microcanaux à l'intérieur de chaque bille, empêchant l'eau d'être absorbée par les grains de tamis moléculaire, ce qui entraîne une réduction significative de la performance et de l'efficacité du travail.
L'installation de tampons désembueurs ou de séparateurs coalescents entre le vaporisateur et l'unité de déshydratation est le moyen le plus simple de réduire les hydrocarbures, le glucose, les carburants et d'autres impuretés. Ces filtres sont essentiellement des feuilles de laine d'acier qui retiennent les polluants et purifient le flux de vapeur à son passage. Pour limiter considérablement l'incidence du coke et conserver la capacité de fonctionnement et le taux de transfert de poids à l'intérieur des conteneurs, les équipes de maintenance proactive doivent inspecter le drain à la base du filtre et le réparer si nécessaire après l'installation.
5. Observer le niveau de pH
Un tamis moléculaire de trois angströms (tamis moléculaire 3A) a été mis au point spécialement pour déshydrater l'éthanol et possède des pores cristallins d'un diamètre d'environ trois angströms. Étant donné 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 de l'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 grands, permettant aux molécules d'éthanol d'être adsorbées à côté de l'eau et réduisant la capacité.
Les billes de tamisage se désintègrent et s'agglomèrent si elles sont soumises à un flux d'alimentation dont le pH est trop faible. Pour éviter les transferts d'ions ou la fusion des billes, un flux d'alimentation optimal doit avoir un pH compris entre 4,5 et 9,0. Lors de la maintenance préventive, les techniciens doivent veiller à ce que les produits chimiques nettoyés en place, tels que l'acide sulfurique ou la soude caustique (hydroxyde de sodium), soient entièrement rincés et ne puissent pas passer par les conteneurs de tamisage.
Le bilan
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 manufacturés, y compris l'éthanol, comme le montre cet article. Si l'efficacité du tamis moléculaire utilisé est importante, il faut également tenir compte de sa qualité. Il existe de nombreux fournisseurs sur le marché, mais seuls les Jalon garantit que vous obtenez la qualité pour ce que vous payez. Contactez nous et nous nous ferons un plaisir de vous fournir un tamis moléculaire de la plus haute qualité. Nous sommes en mesure de répondre aux demandes à court et à long terme, de sorte que vous n'avez pas à vous préoccuper du calendrier. Et surtout, nous expédions nos produits dans le monde entier.
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