Моделирование процесса мембранного разделения жидкой смеси в среде Aspen HYSYS

Цели. Разработка и последующая верификация на основе экспериментальных данных расчетного блока процесса массопереноса в первапорационном мембранном модуле на основе керамической мембраны HybSi^®.

Методы. Задача решалась при помощи математического моделирования в прикладном пакете Aspen HYSYS, предназначеном для моделирования химико-технологических процессов. Дифференциальные уравнения математической модели были представлены в виде системы разностных уравнений, которая решалась численным способом с адаптивным шагом по площади. Мембранный первапорационный модуль площадью S в ходе его моделирования разбивается на n интервалов, исходя из обеспечения внутри i-го интервала условия, чтобы изменение температуры ΔТ было меньше 1°C. Работоспособность программного модуля проверялась на основе сравнения результатов расчета с имеющимися экспериментальными данными по обезвоживанию этанола и изопропанола. Моделирование работы разработанного мембранного модуля проводилось в изотермических и адиабатических режимах.

Результаты. Используемая в разработанном расчетном первапорационном мембранном модуле математическая модель процесса первапорации учитывает изменение концентрации и температуры потока сырья вдоль поверхности мембраны HybSi^®. Показано хорошее согласование для трех изотерм (60, 70 и 80°С) и двух вариантов давления со стороны пермеата (5 и 20 мм рт. ст.). Моделирование мембранного модуля площадью 1 м² в адиабатическом режиме работы показало, что процессы обезвоживания спиртов на мембранах HybSi^® сопровождаются значительными тепловыми эффектами, связанными с расходом тепла на испарение через мембрану ввиду больших трансмембранных потоков для данной мембраны.

Выводы. Сравнительный анализ результатов моделирования мембранного модуля HybSi^® в изотермическом и адиабатическом режимах работы показал, что расчет мембранного модуля без учета тепловых эффектов приводит к существенным ошибкам: в определении расхода пермеата — до 50%, в определении концентрации воды в ретанте до 1.3–1.8 раз. Поэтому выполнение проектных расчетов без учета тепловых эффектов будет приводить к существенному занижению требуемой поверхности мембранного модуля.

1. Тимошенко А.В., Анохина Е.А., Рудаков Д.Г., Тимофеев В.С., Тациевская Г.И., Матюшенкова Ю.В. Энергосбережение в ректификации с использованием комплексов со связанными потоками. Вестник МИТХТ им. М.В. Ломоносова (Тонкие химические технологии). 2011;6(4):28–39.

2. Анохина Е.А., Шлейникова Е.Л., Тимошенко А.В. Энергоэффективность комплексов с частично связанными тепловыми и материальными потоками в экстрактивной ректификации смеси метилацетат – хлороформ. Вестник МИТХТ им. М.В. Ломоносова (Тонкие химические технологии). 2013;8(2):18–25.

3. Раева В.М., Себякин А.Ю., Сазонова А.Ю., Фролкова А.К. Выбор потенциальных разделяющих агентов для экстрактивной ректификации смеси циклогексан – бензол. Вестник МИТХТ им. М.В. Ломоносова (Тонкие химические технологии). 2011;6(1):43–53.

4. Sander U., Soukup P. Design and operation of a pervaporation plant for ethanol dehydration. J. Membr. Sci. 1988;36: 463–475. https://doi.org/10.1016/0376-7388(88)80036-X

5. Jyothi M.S., Reddy K.R., Soontarapa K., et al. Membranes for dehydration of alcohols via pervaporation. J. Environ. Manage. 2019;242:415–429. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.04.043

6. Raza W., Wang J., Yang J., Tsuru T. Progress in pervaporation membranes for dehydration of acetic acid. Sep. Purif. Technol. 2021;262:11833. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2021.118338

7. Акберов Р.Р., Фазлыев А.Р., Клинов А.В., Малыгин А.В., Фарахов М.И., Маряхина В.А., Кириченко С.М. Обезвоживание диэтиленгликоля методом первапорации с помощью керамических мембран Hybsi. Теоретические основы химической технологии. 2014;48(5):594–600. https://doi.org/10.7868/S0040357114030014

8. Zheng P., Li C., Wang N., Li J., An Q. The potential of pervaporation for biofuel recovery from fermentation: An energy consumption point of view. Chinese J. Chem. Eng. 2019;27(6):1296–1306. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2018.09.025

9. Liu H.-X., Wang N., Zhao C., Ji S., Li J.-R. Membrane materials in the pervaporation separation of aromatic/aliphatic hydrocarbon mixtures. Chinese J. Chem. Eng. 2018;26(1): 1–16. https://doi.org/10.1016/j.cjche.2017.03.006

10. Юшкин А.А., Голубев Г.С., Подтынников И.А., Борисов И.Л., Волков В.В., Волков А.В. Разделение смесей полярных и неполярных органических жидкостей методами первапорации и нанофильтрации. Нефтехимия. 2020;60(6):863–874. https://doi.org/10.31857/S0028242120060209

11. Mortaheb H., Ghaemmaghami F., Mokhtarani B. A review on removal of sulfur components from gasoline by pervaporation. Chem. Eng. Res. Des. 2012;90(3):409–432. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2011.07.019

12. Mukherjee M., Roy S., Bhowmick K., et al. Development of high performance pervaporation desalination membranes. Process Safety and Environmental Protection. 2022;159: 1092–1104. https://doi.org/10.1016/j.psep.2022.01.076

13. Vane L. Review of pervaporation and vapor permeation process factors affecting the removal of water from industrial solvents. J. Chem. Technol. Biotechnol. 2020;95(3):495–512. https://doi.org/10.1002/jctb.6264

14. Kancherla R., Nazia S., Kalyani S., Sridhar S. Modeling and simulation for design and analysis of membrane-based separation processes. Computer. & Chem. Eng. 2021;148:107258. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2021.107258

15. Koczka K., Mizsey P., Fonyo Z. Rigorous modelling and optimization of hybrid separation processes based on pervaporation. Central European Journal of Chemistry. 2007;5(4): 1124–1147. https://doi.org/10.2478/s11532-007-0050-8

16. Verhoef A., Degreve J., Huybrechs B., et al. Simulation of a hybrid pervaporation–distillation process. Computer. & Chem. Eng. 2008;32(6):1135–1146. https://doi.org/10.1016/j.compchemeng.2007.04.014

17. Valentínyi N., Mizsey P. Comparison of pervaporation models with simulation of hybrid separation processes. Periodica Polytechnica: Chemical Engineering. 2014;58(1):7–14. https://doi.org/10.3311/PPch.7120

18. Козлова А.А., Трубянов М.М., Атласкин А.А., Янбиков Н.Р., Шалыгин М.Г. Моделирование процесса мембранного разделения газов и паров в среде Aspen Plus. Мембраны и мембранные технологии. 2019;9(1):3–8. https://doi.org/10.1134/S2218117219010048

19. Csefalvay E., Szitkai Z., Mizsey P., Fonyo Z. Experimental data based modelling and simulation of isopropanol dehydration by pervaporation. Desalination. 2008;29(1–3):4–108. https://doi.org/10.1016/j.desal.2007.07.029

20. Toth A.J., Andre A., Haaz E., Mizsey P. New horizon for the membrane separation: Combination of organophilic and hydrophilic pervaporations. Sep. Purif. Technol. 2015;156(2): 432–443. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2015.10.032

21. Rautenbach R., Herion C., Meyer-Blumenroth U. Engineering aspects of pervaporation: Calculation of transport resistances, module optimization and plant design. In: Huang R.Y.M. (Ed.). Pervaporation Membrane Separation Processes. Amsterdam: Elsevier; 1991. Chap. 3. P. 181–191.

22. Valentínyi N., Cséfalvay E., Mizsey P. Modelling of pervaporation: Parameter estimation and model development. Chem. Eng. Res. Des. 2013;91(1):174–183. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2012.07.001

23. Tóth A.J., Mizsey P. Methanol removal from aqueous mixture with organophilic pervaporation: Experiments and modeling. Chem. Eng. Res. Des. 2015;98:123–135. https://doi.org/10.1016/j.cherd.2015.04.031

24. Koch K., Gorak A. Pervaporation of binary and ternary mixtures of acetone, isopropyl alcohol and water using polymeric membranes: Experimental characterisation and modeling. Chem. Eng. Sci. 2014;115:95–114. https://doi.org/10.1016/j.ces.2014.02.009

25. Castricum H.L., Kreiter R., van Veen H.M., et al. Highperformance hybrid pervaporation membranes with superior hydrothermal and acid stability. J. Membrane Sci. 2008;324(1–2):111–118. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2008.07.014

26. Van Veen H.M., Rietkerk M.D.A., Shanahan D.P., et al. Pushing membrane stability boundaries with HybSi® pervaporation membranes. J. Membrane Sci. 2011;380(1–2): 124–131. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2011.06.040

27. Klinov A.V., Akberov R.R., Fazlyev A.R., Farakhov M.I. Experimental investigation and modeling through using the solution-diffusion concept of pervaporation dehydration of ethanol and isopropanol by ceramic membranes HybSi. J. Membrane Sci. 2017;524:321–333. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2016.11.057

28. Wijmans J.G., Baker R.W. The solution-diffusion model: a review. J. Membrane Sci. 1995;107(1–2):1–21. https://doi.org/10.1016/0376-7388(95)00102-I

29. Song K.M., Hong Y.K., Yu J., et al. Influence of Temperature Drop by Phase Transition on Pervaporation Processes in Vapor Phase Feed. Korean J. Chem. Eng. 2002;19(2):290–295. http://doi.org/10.1007/BF02698416

30. Vatankhah F., Moheb A., Mehrabani-Zeinabad A. A study on the effects of feed temperature and concentration on design of a multi-stage pervaporation system for isopropanol-water separation using commercial available modules with interstage heating. J. Membrane Sci. 2021;618:118717. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2020.118717

31. Kubaczka A., Kamiński W., Marszałek J. Predicting mass fluxes in the pervaporation process using Maxwell-Stefan diffusion coefficients. J. Membrane Sci. 2018;546:111–119. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2017.08.074