Vacuum membrane distillation: modeling and analysis for recovery of ethanol from ethanol/water solutions

Abstract

espanolEn este trabajo se planteo un modelo matematico para la transferencia de masa y energia durante la etapa de separacion de etanol utilizando destilacion con membranas al vacio. Este modelo es uno de los pocos propuestos para el estudio de la separacion de etanol por destilacion con membranas al vacio; solo Soni, Abildskov, Jonsson y Gani (2008) han propuesto un modelo de mayor complejidad que el del presente estudio. El modelo matematico fue validado utilizando cuatro casos de estudio reportados en la literatura. El modelo permite predecir satisfactoriamente los resultados experimentales para condiciones de operacion que se encuentren entre 20 - 70oC, con 0.25 - 5% p/p de etanol en la alimentacion, presiones de 2000 - 6000 Pa y Reynolds entre 50 y 2700. Este modelo permitio realizar el analisis de la influencia de parametros de operacion y de diferentes tipos de membranas sobre variables de respuesta como flux de etanol, flux de agua y fraccion de etanol en el permeado, utilizando la herramienta Statgraphics® Centurion XVI.I y un diseno experimental factorial. El analisis de Pareto demuestra que dichos parametros afectan de forma distinta las variables de respuesta del proceso. Los dos valores de flux se incrementan con la temperatura, diametro de poro y porosidad; el espesor de la membrana tiene un efecto negativo sobre el flux de agua (para el flux de etanol su influencia no es significativa). Por otro lado, un aumento de la presion, el diametro de poro o la porosidad disminuye la concentracion de etanol en el permeado. Este ultimo se incrementa con la concentracion de etanol en la alimentacion y el espesor de la membrana. Para la destilacion membranaria al vacio, el modelo predice una concentracion de etanol en el permeado de hasta 8.8 veces la concentracion de alimentacion; dependiendo de las condiciones de operacion y de las caracteristicas de la membrana. EnglishA mathematical model was developed to describe the mass and energy transfer in the ethanol separation process by using vacuum membrane distillation. This model is one of the few proposed for studying the ethanol recovery using vacuum membrane distillation; hence, only Soni, Abildskov, Jonsson and Gani (2008) have proposed a more complex model. The mathematical model was validated using fourcase studies reported in literature. The model fairly describes reported data obtained under the following operating conditions: 20 - 70oC, ethanol concentration from 0.25 to 5% w/w, pressure of 2000 - 6000 Pa and Reynolds of 50 - 2700. The influence of operation conditions and membrane properties on ethanol and water flux, as well as on ethanol concentration in permeate were studied with this validated model by using Statgraphics® Centurion XVI.I and a factorial experiment design. Pareto analysis showed that operating conditions and membrane properties influence the process variables in different ways. For example, both flux values increase with temperature, pore diameter and porosity; but membrane thickness has a negative effect on water flux (for ethanol flux it was not significant). On the other hand, increasing pressure, pore diameter or porosity decreases permeate ethanol concentration. Last parameter increases with feed ethanol concentration and membrane thickness. In vacuum membrane distillation, the model predicts a permeate ethanol concentration 8.8 times higher than feed concentration, depending on operating conditions and membrane specifications. portuguesN este trabalho e proposto um modelo matematico para a transferencia de massa e de energia durante a etapa de separacao de etanol utilizando destilacao com membranas a vacuo. Este modelo e um dos poucos propostos para o estudo da separacao de etanol por destilacao com membranas a vacuo; somente Soni, Abildskov, Jonsson e Gani (2008) propuseram um modelo de maior complexidade que o do presente estudo. O modelo matematico foi validado utilizando quatro casos de estudo relatados na literatura. O modelo permite prever satisfatoriamente os resultados experimentais para condicoes de operacao que estao entre 20 - 70oC, com 0.25 - 5% p/p de etanol na alimentacao, pressoes de 2000 - 6000 Pa e Reynolds entre 50 e 2700. Este modelo permitiu realizar a analise da influencia de parâmetros de operacao e de diferentes tipos de membranas sobre variaveis de resposta como fluxo de etanol, fluxo de agua e fracao de etanol no permeado, utilizando a ferramenta Statgraphics® Centurion XVI.I e um desenho experimental fatorial. A analise de Pareto demonstra que ditos parâmetros afetam de forma distinta as variaveis de resposta do processo. Os dois valores de fluxo aumentam com a temperatura, diâmetro de poro e porosidade; a espessura da membrana tem um efeito negativo sobre o fluxo de agua (para o fluxo de etanol sua influencia nao e significativa). Por outro lado, um aumento da pressao, do diâmetro de poro ou da porosidade diminui a concentracao de etanol no permeado. Este ultimo aumenta com a concentracao de etanol na alimentacao e na espessura da membrana. Para a destilacao membranaria a vacuo, o modelo preve uma concentracao de etanol no permeado de ate 8.8 vezes a concentracao de alimentacao; dependendo das condicoes de operacao e das caracteristicas da membrana.