エタノール脱水のためのモレキュラーシーブ吸着床の設計

気体と液体の場合、モレキュラーシーブは優れた吸収剤です。 独特な設計のモレキュラーシーブを活性化することで、多くのシステムが望ましくないガスまたは液体汚染物質を効果的に除去するのに役立ちます。 また、気体または液体を分子サイズのグループに分離することもできます。 95.6 体積パーセントの共沸閾値を超えるエタノールの蒸留では、モレキュラーシーブが重要な役割を果たします。 を使用して 合成モレキュラーシーブ、エタノール脱水手順は、現在、この共沸限界よりもさらに改良された技術で実施することができます。

我々は、エタノール脱水のためのモレキュラーシーブ吸着剤床の設計の詳細な分析を行う予定です。 始めましょう！

エタノール脱水におけるモレキュラーシーブベッドの使用

モレキュラーシーブベッドとは？

　 人工ゼオライト物質 正確で均一なデザインとサイズの穴はモレキュラーシーブとして知られています。 これにより、分子サイズと透過性の好みに基づいて気体と液体を吸着することができます。 ゼオライトは、自然界に存在する透過性の高い結晶性固体で、アルミノケイ酸塩の化学ファミリーに属します。

3A、4A、5A、および 13X は、モレキュラーシーブの XNUMX つの主要な分類です。 モレキュラーシーブの細孔の寸法は、分子の合成バージョンによって決定されるタイプによって決まります。 モレキュラーシーブは、細孔の機能的な直径よりも小さい気体または液体の分子を可溶化し、孔よりも大きな分子を排除することによって機能します。

エタノール脱水におけるモレキュラーシーブの機能は何ですか?

従来のエタノール蒸留では、水と混合したときに生成される共沸混合物により、約 96% のエタノールの純度しか達成できず、残りの 4% は水です。 燃料の品質と見なされるには、エタノールは少なくとも 99.9% まで脱水されている必要があります。 3 オングストローム サイズの開口部で特別に構築された 3A モレキュラーシーブを使用して水分子を吸着しますが、より大きなエタノール分子は排除され、この程度の純度を達成します。 これ 効率的に手続きする 収着の競合がないため、エタノールを燃料グレードと呼ぶことができるように、必要なレベルの純度までエタノールを脱水します。

間に 製造手順、モレキュラーシーブの両方の粒子の細孔の直径を注意深く監視します。 細孔開口部のサイズを制御するために、ナトリウム、カルシウム、およびカリウム イオンを粒子内で交換することができます。 これにより、気体分子と液体分子が優先的に吸着されます。 駐車場を考えてみましょう。車の高さは 7 フィートですが、ガレージの屋根の高さはわずか 6 フィート 8 インチです。 どんなに頑張っても車をガレージに入れることはできません。 モレキュラーシーブの開口部における粒子の吸着は、同じ原理で機能します。

エタノール脱水に使用されるモレキュラーシーブの一般的なタイプ

さまざまな商業用途および食品用途において、モレキュラーシーブ脱水手順には高度の純度が必要です。 エタノールの乾燥に最も効果的なモレキュラーシーブはタイプ 3A です。 水和エタノール蒸気は、エタノール脱水手順中にモレキュラーシーブベッドを介して送られます。 最初のステップで蒸気がふるいベッドを通過する際に、吸着剤設計の細孔によって水が吸収されます。 吸着手順は、蒸気の推定水吸着が達成されるか、モレキュラーシーブが飽和するまで続きます。

水は、湿ったエタノール蒸気から活性モレキュラーシーブに、入力から流出まで水分含有量が減少する領域または領域を介して移動します。 このマスター移行ゾーンには、脱水移行用のアクティブ ベッドが XNUMX つと、再生用の別のベッドがあります。 強力なゲートと自動化の採用、あるベッドから次のベッドへの動きが処理および管理されます。 純粋なエタノールは、モレキュラーシーブを使用して脱水されると、自動車やその他の用途の燃料として適用できます。

モレキュラーシーブの使用量 

モレキュラーシーブの乾燥能力は、自身の質量の約 20% から 25% です。 脱水手順では、予想される有機溶媒量の 3 ～ 4 倍に相当するモレキュラーシーブを注ぎ、約 24 時間、時々かき混ぜます。 

エタノール脱水のためのモレキュラーシーブベッドの最も効果的な設計

モレキュラーシーブ機構の設計と機能は、多くの要因の影響を受けます。 汚染物質の吸着容量は、機能温度と分圧、およびモレキュラーシーブの種類 (3A、4A、5A、13X) によって決まります。 流量と圧力低下の制限は、吸着量と組み合わせて、最適なフロー パターン、重量移動動力学、および付加物による容器設計を決定する上で重要です。

容器のサイズは、モレキュラーシーブの細孔寸法、および床の配置 (吸着剤の厚さに応じて、巨大な顆粒、小さな顆粒、または分割床で構成される) によっても影響を受けます。 選択した直径と高さの比率によって、圧力の低下と流れの分散、および再生活動の必要性が影響を受けます。

二つあります 脱水コンポーネントの設計の可能性: 含水エタノール原料のパラメーターとアルコール蒸留施設の利用可能性に基づいて、統合またはスタンドアロンの設計。

1.統合設計

統合された蒸気原料脱水機は、蒸留システムに接続され、精留塔から直接含水エタノール蒸気を受け入れます。 パージ ストリームとしても知られる再生フローは、エタノール再生のために蒸留に再導入されます。

非結合ユニットと比較すると、最も重要な 統合システムのメリット エネルギー使用量の大幅な削減です。 Vogelbusch の革新的な電力効率の高い乾燥熱と蒸留/精留/蒸発システムの統合により、運用コストが大幅に削減されます。

給餌には最低 0.5 バールの圧力が必要です。

2.スタンドアロン設計

備蓄からの含水エタノール液体は、独立した液体供給を使用して乾燥されます 乾燥装置. 小さなリサイクル カラムで、含水エタノールが蒸発します。 パージ ストリームとも呼ばれる再生チャネルは、エタノール抽出用のリサイクル チャンバーに送られます。

原料とユーティリティのパラメータを考慮した熱回収の適切な設計により、エタノール乾燥チャンバーの消費電力が削減されます。

手順の原則

モレキュラーシーブ脱水で使用される吸着技術は、 合成ゼオライト、もろくて気孔率の高い物質。 この方法は、水に対するゼオライトの引力が圧力によって切り替わることに基づいています。 ゼオライトの水充填は、力を変更することによって変更される可能性がある、入力内の水の分圧によって決定されます。

圧力スイング吸着法（PSA）

モレキュラーシーブ床に過熱蒸気が注入されるため、結露は発生しません。 エタノール蒸気はベッドを介して流れ、蒸気はゼオライトの開口部に吸収されます。

モレキュラーシーブ床が水でびっしょりになり、亀裂が近づいたら、再活性化する必要があります。水は、ゼオライトにかかる圧力を下げることによってゼオライトの表面から除去されます。

A 圧力スイング吸着 XNUMX つのモレキュラーシーブベッドを備えたセットアップを使用して、安定した生産を実現します。 XNUMX つのベッドは脱水処理中であり、もう XNUMX つのベッドは真空下で再生されています。 床の圧力は、活性化の間ずっと低下し、脱着された水は、他の乾燥床からの出力蒸気とともに床から泡立てられます。 次に、このパージまたは再生チャネルは潮解され、エタノール抽出のために蒸留所にポンプで送られます。

手順全体が自動化されています。

脱水ユニットの機能を向上させる方法

モレキュラーシーブ手順の強化

• 吸着最適化の原則 XNUMX: 理想的な温度と圧力

吸着の XNUMX つの主要な基本ルールに基づく必然的なポイントは、ユニットを最大圧力と可能な限り最小の温度で操作する必要があるということです。 関数の温度を選択するときは、これが蒸気段階の手順であることを念頭に置いてください。つまり、フィード チャネルはどの時点でも段階を変更できません。 その結果、使用できる最低温度は ステージチェンジの合図. システムが耐えることができる最大圧力とアクセス可能な過熱の量によって、メカニズムが制限されます。

最大圧力は、コンテナ、パイプ、およびゲートの定格によって決まります。 エタノール/水溶液の沸点によって最低温度が決まります。 設計の大部分は、約 95% のエタノールを含む水/エタノール共沸混合物に基づいています。 実際には、ほとんどのプラントは共沸混合物以下で稼働しており、エタノール レベルは 90% と低くなっています。 あらゆる組み合わせの真の沸点を確認する必要があります。 入口の蒸気温度は、物質が蒸気段階に留まるように、50°F または 10°C の過熱度に設定する必要があります。

これらの要因を評価することで、吸着を最大化するための最適なパラメータを特定できます。

同じ等温アプローチを使用して再生の最大設定を計算します。 一定の温度でコンテナ内で達成可能な最大の真空を達成する必要があります。 作業容量は次のように定義されます。 容量の違い 実現可能な最高圧力と達成可能な最低圧力の間の固定温度。

• 吸着最適化の原則 XNUMX: 作業容量

すべてのモレキュラーシーブには仕様書が付属している必要があり、静水容量が記載されている必要があります。 すべての結合された 3A シーブ ビーズの静電容量は質量で 18 ～ 22% の水であるため、これは実際の作業容量にわずかに影響します。

モレキュラーシーブの固定体積は、その純度の一般的な指標として役立ちますが、機能容量は最も パフォーマンスに必要. 固定温度でのツイン操作圧力、収着および活性化の間のモレキュラーシーブの水量の差は、作業容量として記述されます。

物質移動ゾーンは、ループの吸着フェーズまたは再生フェーズを通じて、モレキュラーシーブから水が意識的に吸着または溶出される領域です。 仮説的には、物質交換ゾーンは「プラグフロー」のような形をしており、ベッドの直径全体を均一に移動する球状のウェーハです。 実際には、蒸気の分散と容器の壁の摩擦の両方が物質移動領域を形成します。 モレキュラーシーブの出力を最大限に活用するには、適切な蒸気分散のために適切な分散が不可欠です。

作業能力に影響を与える要因

1. 指定された構成と圧力の下で、温度は常に蒸気段階の維持を保証する必要があります。 液体はビーズの外側に障害物を作成するため、XNUMX 相循環では結晶接合部への液体の物質移動が妨げられます。 液体の表面張力により、液体の水が液体段階に圧縮された後、再蒸発によって液体の水を除去するのが難しいことがわかります。
2. 吸気口での蒸気分散。 物質移動ゾーンの対称性と速度。
3. 固定温度での吸着剤圧力と再生吸引の間の最大不均衡を確保します。
4. 3A モレキュラーシーブの適切なサイズ。
5. スペック シートに加えて、評価証明書のサンプルを請求してください。 さまざまなメーカーのモレキュラーシーブ製品を評価します。 それらはすべて同じに作られているわけではないため、同じように機能しません。 粉砕強度、摩耗能力、分散している粒子の寸法、技術的知識などの属性を確認します。

他に考慮すべきこと

企業のエタノール生産手順は、モレキュラーシーブに大きく依存しています。 それらは、燃料添加剤としての使用に必要な純度95%から約99.9%までエタノールを乾燥させることを可能にします。 エタノール工場の他のすべての操作と同様に、エタノール脱水プラントのモレキュラーシーブには特別な注意が必要です。 予防維持、作業手順中のケア、およびビーズと容器またはシートに長引く損傷を引き起こす可能性があるものについての知識はすべて不可欠です. 最長 XNUMX 年の長期にわたる持続可能な寿命を保証するには、ふるいビーズの積極的なモニタリングとメンテナンスが必要です。 

モレキュラーシーブビーズがどのように脱水するかを知り、いくつかの簡単なガイドラインに従うことで、ビーズが長持ちします。 それを念頭に置いて、次のことを守ってください。

1.シーツ/ベッドを濡らさないでください 

コンテナに流れ込んで機能している間は、手順ストリームが到着して蒸気段階にとどまるように注意する必要があります。 蒸気が凝縮して液体に戻ると、システムに重大な影響を与える可能性があります。 物質移動ダイナミクス 容器に出入りする水の量が減少し、作業能力が低下し、ビーズが破壊される可能性があります。 水の明らかな凝集性により、液体段階のプロセス ストリームがエタノール脱水ベッドに到達すると、水が各ビーズ上に層を形成し、液化水中で効果的に層状になります。 目的の純粋なエタノール製品ストリームからの蒸気段階の汚染物質 (水) の吸着は、液体の水で覆われたビーズによって遅くなるか、完全に防止されます。

脱水手順のどの段階でも液体段階の分子の出現を避けるために、過熱度が 50 °F (凝縮温度より 50 度高い) の最大圧力でフィード ストリームを達成し、維持する必要があります。 理想的な過熱温度は華氏 50 度です。これは、蒸気が液体段階に戻るのを防ぐのに十分な高さでありながら、容器内のシーブ ビーズの動作能力を大幅に低下させないように十分に低く保ちます。 作業容量は動作温度に比例します。 高熱下のビーズは操作能力が低いため、操作中の熱が多すぎるのも望ましくありません。 また、特に厳しい寒さの時期には、フィード ストリームのコールド ゾーンや制御不能な温度変化を防ぐために、コンテナーとパイプを適切に断熱することも重要です。

2. 臨界速度を超えないようにする

脱水ユニットとシーブ ビーズを保護するには、臨界速度を回避する必要があります。 プロセス内の各機械には、害を及ぼすことなく耐えることができる最大圧力があります。 植物の蒸気速度が過度に高い場合、蒸気速度が臨界速度しきい値を超え、悲鳴や甲高い喘鳴のような音が発生する可能性があります。 臨界速度を超えると、ビーズが粉々になって破損し、余分な粉塵が発生し、周辺機器の補充の必要性が高まり、一般的な作業能力が損なわれ、生産性を回復するために最終的に完全な交換が必要になる場合があります。

3. ベッドを跳ねさせない

リーバイス膨張を防ぐには、床内の適切な速度調整を厳密に維持して、個々のシステムで定義されている流動化速度を超えないようにする必要があります。 ビーズの直径、流量、蒸気密度、容器の圧力、および入力ストリームの温度はすべて、流動化速度に影響します。 ビーズが持ち上げられ、蒸気の泡の上で空中にぶら下がると、流動化として知られる手順が起こり、リーバイス膨張が起こります. ビーズが流動化すると、ビーズ同士がすり減り、かなりの摩耗、粉塵、破損が発生する可能性があります。

その結果、粉々になったビーズは、重量移動領域がベッドを流れ、不規則で早期のブレークスルー、悪いフィードバック スパイラル、および再発性の破壊を引き起こす可能性があります。 即時の流動化、またはコンテナー内のふるいビーズの実際の跳ね返りは、固着したバルブまたはコンテナーの不適切な加圧によって引き起こされる圧力の急速な変化によって引き起こされる可能性があります。 これはポップコーンとしてよく知られています。

さまざまなエタノール脱水装置の機能について詳しく知りたい場合は、当社 Jalon などのふるいの専門家に相談してください。 モレキュラーシーブについて最初は知らなかったことを理解するのに役立ち、本質的に間違いを犯すのを防ぐことができます. バルブの適切な機能を定期的にチェックし、チームワークショップを手配し、適切な加圧設定に関する継続的な教育を促進し、定期的なチェックの利点を強調して有効性と成功を高めます。

4. 汚染の回避

水溶性ブドウ糖やフーゼル油などの低分子量の炭水化物は、エタノール脱水装置の操作能力を大幅に変える可能性があります。 炭水化物は、ベッドに転送されるミセルの組み合わせとして、他の汚染物質を含む手順ストリームにとどまる水溶性グルコースに由来します。 コーキングとして知られる手順では、これらの汚染物質がモレキュラーシーブ ビーズの外側に付着し、コークスまたは燃焼した炭水化物のコーティングを形成します。

コークスはビーズの表面に暗い斑点として現れ、最終的に表面の周りに完全な層を形成し、ビーズを黒くします. コークスのコーティングは、蒸気が各ビーズ内のマイクロチャネルにアクセスするのをブロックし、水がモレキュラーシーブの粒子に吸収されるのを防ぎ、作業性能と有効性を大幅に低下させます。

気化器と脱水ユニットの間にデミスター パッドまたは合体分離器を取り付けることは、グルコース、燃料、およびその他の不純物である炭化水素を減らす最も簡単な方法です。 これらのフィルターは基本的にスチール ウール シートで、汚染物質を捕捉し、通過する蒸気の流れを浄化します。 コークスの発生を大幅に制限し、コンテナ内の運転容量と重量移動率を維持するには、積極的なメンテナンス担当者がフィルターのベースのドレンを検査し、設置後に必要に応じて修理する必要があります。 

5. pH レベルに注意する

3オングストロームのモレキュラーシーブ（2.8Aモレキュラーシーブ）は、特にエタノールを脱水するために開発されたもので、直径約3.6オングストロームの結晶細孔があります。 水分子は直径約3オングストローム、エタノール分子は直径約XNUMXオングストロームであることを考慮すると、このふるいはエタノール合成に適しています。 水分子は XNUMXA 結晶を通過して閉じ込められますが、エタノール分子は大きすぎて吸着して跳ね返ることができません。

モレキュラーシーブビーズが高pHにさらされると、イオン交換が起こり、3Aシーブ結晶が4A以上のシーブ結晶に変換され、エタノール分子が水の横に吸着され、容量が減少します.

シーブ ビーズは、pH が低すぎるフィード ストリームにさらされると、崩壊して凝集します。 イオンの移動やビーズの融合を避けるために、最適なフィード ストリームの pH は 4.5 ～ 9.0 でなければなりません。 技術者は、硫酸や苛性ソーダ (水酸化ナトリウム) などの定置洗浄の化学薬品が完全に洗い流され、ふるい容器を通過できないようにするために、予防保守中にさらに注意を払う必要があります。

ボトムライン

モレキュラーシーブは、ほとんどの製造手順の中心に位置し、ほとんどの製造出力の純度を高める上で重要な役割を果たしています。この投稿に見られるように、エタノールが含まれています. 使用するモレキュラーシーブの有効性は重要ですが、品質にも留意する必要があります。 市場には多くのプロバイダーがありますが、 ジャロン 支払った分の品質を保証します。 お問い合わせ 最高品質のモレキュラーシーブを喜んでお届けします。 短期・長期どちらの依頼にも対応できるので、納期を気にする必要はありません。 さらに重要なことに、私たちは製品を世界中に出荷しています。